§ 23. Работа газа и пара при расширении

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ОПЫТ: ПРЕВРАЩЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ

На протяжении тысячелетий человек стремился облегчить физический труд, изобретая различные орудия и механизмы. Огромным качественным скачком в развитии цивилизации стало появление двигателей — устройств, вырабатывающих механическую энергию движения за счёт других видов энергии. В современной технике широчайшее распространение получили тепловые двигатели.

Фундаментальный физический принцип, лежащий в основе работы любого теплового двигателя, наглядно раскрывается в классическом демонстрационном опыте:

• В толстостенную пробирку наливают немного воды, плотно закупоривают её деревянной или корковой пробкой и закрепляют в штативе.
• Пробирку начинают нагревать на пламени спиртовой горелки.
• При передаче теплоты вода нагревается до температуры кипения и начинает бурно испаряться.
• Количество водяного пара в замкнутом пространстве над водой непрерывно увеличивается, в результате чего давление пара стремительно возрастает.
• В определённый момент упругая сила давления пара преодолевает силу трения пробки о стенки пробирки: пробка с сильным хлопком вылетает наружу, словно снаряд из пушки.

В этом простом опыте происходит последовательная цепь энергетических превращений:

Сгорание топлива (спирта) → нагревание воды до кипения и парообразование → расширение пара высокого давления → совершение механической работы по выталкиванию пробки.

Химическая внутренняя энергия спирта при сгорании переходит во внутреннюю энергию нагретой воды и образовавшегося пара. Затем пар, расширяясь, совершает механическую работу против сил трения и сопротивления воздуха, передавая пробке кинетическую энергию движения.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ И НАБЛЮДЕНИЕ ТУМАНА

Почему расширяющийся пар охлаждается и способен совершать работу?

С точки зрения молекулярно-кинетической теории, молекулы пара, находящиеся в хаотическом тепловом движении, непрерывно соударяются со стенками пробирки и внутренней поверхностью пробки. Когда пробка под действием огромного давления начинает двигаться, ударяющиеся о неё молекулы пара отскакивают от удаляющейся преграды с меньшей скоростью, чем до удара. Это означает, что кинетическая энергия теплового движения молекул уменьшается.

Следовательно, газ или пар совершает работу исключительно за счёт убыли собственной внутренней энергии:

Нагляднейшим экспериментальным доказательством этого служит образование лёгкого тумана (облачка пара) в пробирке в момент вылета пробки. Когда пар расширяется и совершает работу, его внутренняя энергия уменьшается, а температура резко падает. Охладившийся пар становится пересыщенным и мгновенно конденсируется в мельчайшие капельки воды.

ТРИ КЛЮЧЕВЫХ ВЫВОДА И УСЛОВИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАБОТЫ

Внимательный анализ опыта с пробиркой позволяет сформулировать три важнейших физических ограничения:

1. Неизбежные потери энергии: не вся энергия сгорающего топлива переходит в полезную работу пробки. Значительная часть теплоты уходит на нагрев стекла пробирки и безвозвратно рассеивается в окружающей среде.
2. Необходимость разности температур: передача тепловой энергии от нагревателя воде возможна только в том случае, если температура нагревателя выше температуры нагреваемого тела. Теплота никогда не переходит самопроизвольно от холодного тела к горячему.
3. Однократность действия: в опыте с пробиркой пар совершает работу ровно один раз. После вылета пробки пар улетучивается в воздух, давление падает, и действие установки прекращается.

Чтобы установка могла работать непрерывно и многократно совершать механическую работу, систему необходимо периодически возвращать в первоначальное состояние:

• Пробирку заменяют прочным полым металлическим цилиндром.
• Пробку заменяют металлическим поршнем, герметично пригнанным к стенкам цилиндра и способным свободно скользить внутри него.
• Чтобы вернуть поршень в исходное сжатое положение, отработавший газ нужно охладить. Для этого требуется третий конструктивный элемент — холодильник (окружающая среда или охлаждающая вода).

Так рождается принципиальная модель любого циклического теплового двигателя, состоящего из трёх обязательных частей:

• Нагреватель (источник теплоты при высокой температуре $T_1$): сгорающее топливо сообщает рабочему телу количество теплоты $Q_1$.
• Рабочее тело (расширяющийся газ или пар): совершает полезную работу $A$ при давлении на поршень.
• Холодильник (при более низкой температуре $T_2 < T_1$): поглощает неиспользованную часть тепла $Q_2$, позволяя охладить и сжать газ для повторения цикла.

• Тепловым двигателем называют машину, в которой внутренняя энергия сгорающего топлива превращается в механическую энергию движения.

ПЕРВЫЕ ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ: ПОЛЗУНОВ И УАТТ

Попытки использовать энергию пара начались в конце XVII века (паровые водоподъёмники Севери, машина Ньюкомена), однако эти первые машины были крайне неэкономичными, громоздкими и служили исключительно для откачки воды из глубоких угольных шахт.

Подлинный технический переворот совершили два выдающихся инженера XVIII столетия:

• Иван Иванович Ползунов (1728–1766):

Талантливый русский изобретатель и горный механик с Алтая в 1763 году разработал проект первой в мире универсальной двухцилиндровой паровой машины непрерывного действия. В 1765–1766 годах гигантская машина была построена на Барнаульском заводе. За счёт поочерёдной работы двух цилиндров движение поршней непрерывно передавалось на общий рабочий вал заводских мехов. Машина Ползунова стала первым тепловым двигателем, способным приводить в действие любые заводские механизмы независимо от наличия рек и водяных колёс.

• Джеймс Уатт (1736–1819):

Шотландский механик и инженер кардинально усовершенствовал конструкцию паровой машины. В прежних машинах Ньюкомена пар конденсировался прямо внутри рабочего цилиндра путём впрыскивания холодной воды, из-за чего цилиндр постоянно то нагревался, то остывал, расходуя до 80% пара впустую. Уатт догадался вынести процесс охлаждения пара в отдельный изолированный сосуд — конденсатор, благодаря чему рабочий цилиндр оставался постоянно раскалённым. В 1784 году Уатт запатентовал универсальный двигатель с кривошипно-шатунным механизмом, преобразующим прямолинейное движение поршня во вращение вала. Паровая машина Уатта стала главным энергетическим сердцем Первой промышленной революции, дав жизнь паровозам, пароходам и фабричным станкам.