ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И ПРИНЦИПА РАБОТЫ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ НА МОДЕЛИ

Тепловая машина – машина, которая преобразует внутреннюю энергию сгорания топлива в механическую работу. Любая тепловая машина имеет нагреватель, холодильник, рабочее тело. Рабочим телом обычно является газ, т. к. он значительно сильнее расширяется при нагревании, чем жидкие или твердые тела. В результате теплопередачи (см. рис. 1) рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Q₁ . При этом происходит расширение рабочего тела и совершение положительной работы над внешними телами. Все тепловые машины работают циклически. Для цикличности процесса необходимо сжатие рабочего тела и неизбежная теплопередача некоторого количества теплоты Q₂ от рабочего тела к холодильнику.

Q₁ = Q₂+ A_пол+ Q_потерь(1)

Описание экспериментальной установки и эксперимента

В данной модели тепловой машины (см. рис. 2) нагревателем является теплая вода, холодильником – окружающий воздух, рабочим телом – воздух в колбе и под поршнем. Поршень изготовлен из ведерка Архимеда. Для измерения температуры применяется термометр, который выдается преподавателем. Для измерения давления имеется жидкостной манометр с подкрашенной водой. Давление находится по формуле: P = ρgh,

где ρ – плотность воды (находится по справочнику);

g – ускорение свободного падения;

h – разность уровней в манометре.

Машина совершает работу по поднятию груза (гирьки). Для изучения циклической работы тепловой машины проведем цикл, состоящий из двух изохор и двух изобар (рис. 3). В исходном состоянии газ имеет атмосферное давление и минимальный объем (поршень внизу). Ставим груз массой m = 20 грамм на поршень. Нагреваем на плитке сосуд с водой до температуры t = 50 °C, устанавливаем его на подъемный столик и погружаем колбу в воду. Давление газа начинает расти, что видно по манометру. Но объем некоторое время не меняется, т. к. сила давления недостаточна, чтобы поднять поршень с грузом. Происходит изохорический процесс (участок 1–2 на диаграмме). Как только сила давления будет достаточна, груз начнет подниматься. Давление при этом остается неизменным. Происходит изобарическое расширение (участок 2–3). Это давление необходимо измерить, зафиксировав показания манометра. Когда газ примет температуру воды, груз не будет подниматься (точка 3). В этот момент измеряем температуру воды. Снимаем поднятый груз и медленно убираем нагреватель. Давление газа начинает уменьшаться (см. на манометр). Поршень некоторое время не движется, т. к. сила давления газа значительно больше веса поршня. Происходит изохорический процесс (участок 3–4). Как только давление достаточно упадет, поршень пойдет вниз при постоянном давлении (участок 4–1). Цикл замкнулся. В результате цикла совершена полезная работа по поднятию груза из нижнего положения в верхнее.

Рис. 2 Рис. 3

Расчет к.п.д. данной модели

Полезная работа равна увеличению потенциальной энергии поднятого груза (A_пол = mgh₁). Количество теплоты, взятое от нагревателя, находится по формуле:

Q₁ = C_в m_в (t_кон– t_нач)(2)

где С_в – удельная теплоемкость воздуха (находится по справочнику);

m_в – масса воздуха в колбе и под поршнем;

t_кон, t_нач – начальная и конечная температуры.

Масса воздуха находится по формуле: m_в = ρ_вV_в,

V_в – объем воздуха определяется экспериментально.

Начальная температура равна комнатной, а конечная определяется измерением температуры воды в тот момент времени, когда поршень перестанет перемещаться. По полученным данным вычисляем к.п.д. (η) по формуле:

(3)