Фізика. 8 клас

 15.09.2020

Тема. Рух молекул і тепловий стан тіла. Температура. Термометри. Температурна шкала. Теплова рівновага.

1. Поняття температури

Температура – це фізична величина, що характеризує ступінь нагрітості тіла.

Коли людина користується своїми відчуттями ( на дотик або на око ), то така оцінка температури є відносною і не завжди однозначною. Наприклад, в холодну кімнату ввійшла людина з двору, де лютує вітер і мороз. Вона скаже: «О, як тепло!» Інша людина, вийшовши з теплого приміщення, скаже: «О, як холодно!»

За власними відчуттями людина не завжди може однозначно визначити тепловий стан тіла.

2. Поняття теплової рівноваги

Сформулюємо певні закони, за якими відбуваються теплові процеси:

а) більш нагріте тіло завжди віддає тепло менш нагрітому;

б) температури тіл, які контактують, з часом вирівнюються і стають однаковими.

У тіл з однаковою температурою теплообмін не відбувається – вони перебувають у стані теплової рівноваги.

3. Термометр

Для вимірювання температури використовують спеціально призначені для цього прилади, які називаються термометрами. Розглянемо рідинний термометр, принцип дії якого ґрунтується на залежності об’єму рідини від температури:

а) будова термометра (резервуар з рідиною, довга трубка, шкала);

б) визначення температури термометром (чим вища температура тіла, тим вищим є стовпчик рідини в термометрі)

У 1742 році шведський вчений А.Цельсій побудував температурну шкалу і виготовив термометр.

В основу вимірювання температур покладено знаходження функціональної залежності певної властивості тіл від температури і побудова за нею температурної шкали.

В основу рідких термометрів (ртутного чи спиртового) покладено залежність об’єму рідин від температури.

Щоб кількісно визначити температуру тіла, недостатньо лише зафіксувати зміну об’єму рідини в колбочці. Необхідно також надати їй числове значення, тобто, як кажуть у фізиці, проградуювати шкалу приладу. Для цього обирають опорні (реперні) точки, які повинні легко відтворюватись.

Реперними точками можуть бути температури плавлення льоду та кипіння води (0°С і 100°С), які мають сталі значення за нормального атмосферного тиску.

Одиницю температури за шкалою Цельсія, називають градусом Цельсія.

Нині за міжнародною системою (СІ) за основну одиницю температури визнано Кельвін (позначається К), який за розміром рівний градусу Цельсія: 1 К = 1°С.

1. Як на шкалі термометра позначають першу реперну точку? 

2. Як на шкалі термометра позначають другу реперну точку? 

3. На скільки частин Цельсій поділив інтервал між цими точками? 

4. Що таке 1°С? 

5. Як позначають температуру за шкалою Цельсія? 

Вправа «Продовж речення»

Температура – це…

Теплова рівновага –це…

Термометр – це…

Термометр складається з …

Щоб правильно виміряти температуру тіла потрібно …

Домашнє завдання: опрацювати § 1, виконати вправу 1 (1, 3, 4)

8 - А, 8 - Б - 18.09.2020

Тема. Залежність розмірів фізичних тіл від температури.

При збільшенні температури збільшуються середні розміри між молекулами речовини внаслідок підвищення швидкості їхнього руху.

Розглянемо лінійне розширення твердих тіл та сформулюємо поняття про коефіцієнт лінійного розширення як фізичну величину, що чисельно дорівнює співвідношенню довжини тіла при його нагріванні на 1 °С до його вихідної довжини:  

α=Δl/l₀∙Δt

Давайте уявимо теплу літню погоду після дощу. Через кілька годин калюжі зникли, листочки і трава стали сухі.

Яке явище ми будемо спостерігати в природі при похмурій погоді?

Уже ці приклади свідчать про те, що деякі властивості тіл залежать від температури. Щоб це підтвердити, давайте уявимо дві колби, одна з яких наповнена водою, а друга олією.

Якщо спочатку при температурі t_о рідина займала об’єм V_о, то внаслідок нагрівання до температури t він збільшився до V, тобто об’єм рідини змінився на ΔV=V-V_о . Як свідчать результати експерименту, зміна об’єму рідини, віднесена до початкового її значення, прямо пропорційна зміні температури.

(V-V₀)/V₀ ~ (t – t₀), тобто ∆V/V₀~∆t.

Якщо внести коефіцієнт пропорційності, то отримаємо:

∆V/V₀ = β∆t, або

V = V₀ (1 + β∆t).

β - коефіцієнт пропорційності (коефіцієнт об’ємного розширення).

Для різних речовин цей коефіцієнт об’ємного розширення має своє конкретне значення.

Цей коефіцієнт показує, на яку частку змінився об’єм рідини відносно його початкового об’єму V_о внаслідок зміни температури тіла на 1К. 

При нагріванні змінюється не лише об’єм рідини, а й твердого тіла і газу. 

Чим більше змінюється температура, тим більше змінюється довжина тіла. 

(l-l₀)/l = α(t-t₀), або l = l₀ (1 + α∆t).

∆l /l₀ = α∆t;

l = l₀ (1 + α∆t).

α – коефіцієнт лінійного розширення тіл.

Давайте визначимо фізичний зміст цього коефіцієнта, аналогічно, як було це зроблено для коефіцієнта об’ємного розширення. 

Коли ми зустрічаємося в житті з лінійним розширенням тіл внаслідок зміни температури?

Слід зазначити, що нагрівання тіл не завжди одночасно веде до збільшення їхніх лінійних розмірів, об’єму. Так, з нагріванням води від 0^оС її об’єм спочатку зменшується, тобто вона стискається і, відповідно, її густина збільшується, а, досягаючи максимуму, при 4^оС і далі, її об’єм починає збільшуватися (а густина зменшуватися) і залежність об’єму від температури стає звичайною – з підвищенням температури об’єм зростає.

Задача. Яким стане об’єм гасу, якщо його нагріти на 30°С? Початковий об’єм 10 л. (β = 10^-3 1/К).

Домашнє завдання: опрацювати § 2, виконати вправу 2 (1, 4).

8 - А, 8 - Б   06.11.2020

Тема. Кристалічні та аморфні тіла. Температура плавлення. Розрахунок кількості теплоти при плавленні/твердненні тіла.

Залежно від умов одна й та сама речовина може перебувати в різних станах, наприклад у твердому, рідкому або газоподібному.

Наочним прикладом цього служить лід, вода й водяна пара. Ці стани називають агрегатними станами.

Молекули однієї й тієї самої речовини у твердому, рідкому й газоподібному стані нічим не відрізняються одна від одної. Той або інший агрегатний стан речовини визначається розташуванням, характером руху й взаємодії молекул.

Тепловий рух молекул характеризується їх середньою кінетичною енергією. Вона, як відомо, визначає температуру тіл.

Взаємодія молекул характеризується потенціальною енергією. Вона залежить від відстані між молекулами.

У твердих кристалічних тілах молекули розташовані в певному порядку й можуть лише здійснювати коливальний рух біля положення рівноваги.

У рідинах молекули розташовані безладно, хоча й близько одна від одної. Рух молекул у рідині — коливально-поступальний.

Молекули рухаються й взаємодіють одночасно, отже, вони володіють і кінетичною й потенціальною енергією. Відтак, те, чи бути тілу твердим, рідким або газоподібним, залежить від співвідношення обох видів енергії. А зміна цього співвідношення й призводить до переходу речовини з одного стану в інший.

Кристалічні тіла мають певну температуру плавлення і кристалізації, розміщення в них молекул (атомів, іонів) упорядковане (розташування їх в певному напрямку повторюється). Кристалічну природу мають більшість металів, мінералів, рослинні волокна, білкові речовини, сажа, лід, графіт.

Властивості кристалів

1. Анізотропія фізичних властивостей .

2. Наявність температури плавлення, температура тіла під час плавлення не змінюється.

3. Властивості кристала зумовлюються не лише тим, із яких атомів він складається, але й видом кристалічних решіток.

Полікристали — тверді тіла, які складаються з безлічі безладно орієнтованих дрібних кристалічних зерен — кристалітів (дрібних моно-кристаликів).

Монокристали — великі поодинокі кристали, у яких в межах всього їх об’єму зберігається дальній порядок розташування частинок.

Аморфні тіла у твердому стані мають внутрішню будову, подібну до рідини (тобто існує близький порядок розміщення сусідніх частинок). Залежно від характеру впливу поводяться або як тверді тіла, або як в’язкі рідини. Аморфними також є речовини, які можуть існувати у двох формах: кристалічній та аморфній. Це поліетилен, цукор, скло, каніфоль. Аморфний стан нестійкий. Через деякий час аморфна речовина переходить у кристалічну (скло — мутніє, льодяник — зацукрується).

Аморфні тіла наділені текучістю, тобто із зростанням температури вони поступово розм’якшуються, перетворюючись на в’язку рідину. У цьому виявляється істотна відмінність їх від кристалічних тіл: аморфні тіла не мають певної температури плавлення. Оскільки в розташуванні атомів або молекул аморфного тіла немає далекого порядку, фізичні властивості аморфного тіла не залежать від напряму, тобто аморфні тіла є ізотропними.

2. Процес плавлення й кристалізації твердих тіл

Передаючи тілу енергію, можна перевести його із твердого стану в рідкий (наприклад, розплавити лід).

·        Перехід речовини із кристалічного стану в рідкий називають плавленням.

Щоб розплавити тіло, потрібно спочатку нагріти його до певної температури.

·        Температуру, за якої речовина плавиться, називають температурою плавлення.

Твердо засвоїти такі положення:

·        існує температура, вище від якої речовина у твердому стані не може перебувати;

·        температура під час плавлення залишається постійною;

·        процес плавлення вимагає припливу енергії до речовини, що плавиться.

Проаналізувати таблицю температур плавлення. З таблиці видно, у яких межах лежать температури плавлення різних речовин. Наприклад, тугоплавкі метали (вольфрам, титан) можуть застосовуватися для створення космічних кораблів, для виготовлення спіралей теплових електричних приладів, а цезій і натрій можна розплавити в гарячій воді.

Досліди показують, що речовини тверднуть за тієї ж температурі, за якої плавляться. Процес кристалізації супроводжується виділенням такої ж кількості теплоти, що поглинається при плавленні.

·        Перехід речовини з рідкого стану в кристалічний називають кристалізацією, або твердненням.

·        Кристалізація відбувається за тієї ж температури, що й плавлення.

Задачі

1.     Скільки енергії потрібно затратити, щоб розплавити лід масою 2 кг при температурі 0°C?

2. Яку енергію необхідно затратити, щоб розплавити шматок олова масою m = 0,5 кг, взятий при температурі t₁ = 232 °C?

3. Яку енергію необхідно затратити, щоб розплавити шматок свинцю масою m = 2 кг, взятий при температурі t₁ = 327 °C?

Домашнє завдання: опрацювати параграф 11, 12, виконати вправу 12 (1, 4)

8 - А - 09.11.2020

Тема. Пароутворення і конденсація. Кипіння. Температура кипіння.

Перехід речовини з рідкого стану в газоподібний називається пароутворенням.

Існують два види пароутворення: випаровування й кипіння.

Випаровування – це пароутворення, що відбувається з вільної поверхні рідини.

З повсякденного досвіду відомо, що рідини, перебуваючи у відкритих посудинах, улетучуються – випаровуються. Як пояснити це явище?

Молекули будь-якої рідини перебувають у безперервному хаотичному русі. Температура рідини зв’язана із середньою кінетичною енергією руху її частинок. Однак окремі молекули рідини можуть мати таку кінетичну енергію, що виявляться спроможною подолати сили міжмолекулярного притягання й покинути рідину. Вилітаючи назовні, ці молекули утворюють над рідиною пару. Утворення пари і є випаровуванням.

При випаровуванні рідину залишають найбільш швидкі молекули. Середня кінетична енергія молекул, що залишилися, зменшується, а рідина охолоджується.

Від чого залежить швидкість випаровування?

 Площа вільної поверхні — перша причина, що впливає на швидкість пароутворення.

Температура речовини — друга причина, що впливає на швидкість пароутворення.

 Густина пари над поверхнею, з якої відбувається пароутворення,— третя причина, що впливає на його швидкість.

Рід речовини — четверта причина різної швидкості пароутворення.

Спостереження й досліди показують, що випаровуються й тверді тіла. Випаровується, наприклад лід, тому білизна висихає й на морозі. Випаровується нафталін, тому ми відчуваємо його запах. Цей процес називають сублімацією.

Перехід речовини з рідкого стану в газоподібний широко використовується в техніці. Наприклад, на електростанціях пара, отримана з води, пускає в хід парові турбіни. Випаровування застосовується при очищенні речовин. Воно є основою роботи холодильних установок, а також всіх процесів сушіння матеріалів. Апарат космічного корабля, що спускається, покривають спеціальною речовиною, яка швидко випаровується, щоб усунути його перегрівання від тертя при проходженні через атмосферу.

Знайомимося із процесом конденсації

Одночасно з переходом молекул з рідини в пару відбувається й зворотний процес. Безладно рухаючись над поверхнею рідини, частина молекул знову повертається в неї.

Перехід речовини з газоподібного стану в рідкий називають конденсацією.

Випаровування й конденсація завжди відбуваються одночасно, і «підсумковий результат» залежить від того, який із цих процесів триває з більшою швидкістю. Якщо «перемагає» випаровування, то рідина перетворюється в пару: висихають калюжі, мокрі речі й т. ін. Якщо ж «перемагає» конденсація, то пара перетворюється в рідину: випадає роса, сухі речі відволожуються.

Конденсація може відбуватися й тоді, коли пара не стикається з рідиною. Саме конденсацією, наприклад, пояснюється утворення хмар: молекули водяної пари, піднімаючись над поверхнею Землі, у більш холодних шарах атмосфери групуються в дрібні крапельки води, скупчення яких і являють собою хмари.

Процес конденсації води в природі ми спостерігаємо щодня. Чи то це крапельки роси на листах (водяна пара накопичується в повітрі вдень, а вранці, охолоджуючись, конденсується), чи то це туман (удень відбувається інтенсивне випаровування з поверхні водойм, а ввечері насичене водяними парами повітря внаслідок охолодження конденсується).

Кипінням називають процес бурхливого пароутворення, що йде по всьому об’єму рідини.

Випаровування відбувається з поверхні рідини за будь-якої температури й будь-якого зовнішнього тиску, а кипіння — це пароутворення по всьому об’єму рідини за певної для кожної речовини температури, що залежить від зовнішнього тиску.

Досліди показують, що під час кипіння температура рідини й пара над її поверхнею однакова й залишається постійною до повного википання рідини.

Температура кипіння

Якщо атмосферний тиск не міняється, то поза залежністю від способу й швидкості нагрівання кожна рідина завжди кипить за строго певної температури. Тому температура кипіння — одна з характеристик речовини.

Температуру, за якої рідина кипить, називають температурою кипіння.

Кожна речовина має свою температуру кипіння. Деякі речовини, які за звичайних умов є газами, при достатньому охолодженні перетворюються на рідину, що кипить при дуже низькій температурі. Рідкий кисень, наприклад, при атмосферному тиску кипить при температурі −183 °C. Речовини, які за звичайних умов перебувають у твердому стані, перетворюються при плавленні на рідину, що кипить за дуже високої температури.

Наприклад, свинець кипить при 1740 °C, а залізо – при 2750 °C

Зовнішній тиск перешкоджає росту бульбашок пари усередині рідини, тому при підвищеному тиску рідина кипить за більш високої температури, а при зменшенні цього тиску температура кипіння знижується.

Справа в тому, що бульбашки починають рости тільки тоді, коли тиск усередині бульбашки стає набагато більшим, ніж зовнішній тиск. Тобто, чим більший зовнішній тиск, тим за більш високої температури кипить рідина.

Наприклад, у каструлях-скороварках їжу варять під тиском близько 2·10⁵ Па. Температура кипіння води при цьому досягає 120 °C. Процес «варення» їжі у воді такої температури відбувається значно швидше, ніж у звичайному окропі.

В горах вода кипить за набагато нижчої температури, ніж за нормальних умов. У високогірних місцевостях, наприклад на висоті 5–6 км (вершина Ельбрусу) атмосферний тиск становить приблизно 4,7·10⁴ Па, тобто половину нормального атмосферного тиску. Вода кипить там при температурі 80 °C. Зварити м’ясо за цих умов неможливо.

Закріплення вивченого матеріалу

1. Одну склянку по вінця заповнили гарячим чаєм, а іншу – таким самим гарячим бульйоном. Яка з рідин остигає швидше? Чому?

2. Чому мокра білизна на вітрі сохне швидше?

3. Якщо закрити банку кришкою, то рівень води в ній не буде знижуватися. Чи означає це, що кришка «зупиняє» випаровування води?

4. На чашки важільних ваг поставили й зрівноважили склянку з холодною водою й склянку з гарячим чаєм. Чому рівновага ваг швидко порушується?

Домашнє завдання

Опрацювати § 13, 14 ( п. 1, 2), виконати вправу 13 (1, 4) 

Контрольна робота з теми «Теплові явища»

1 варіант

1. Скільки енергії пішло на нагрівання залізної заклепки масою 110 г від 20 до 920°С?

2. Для нагрівання металу масою 100 г від 20 до 40 °С потрібно 280 Дж енергії. Визначити питому теплоємність цього металу.

3.Яка кількість теплоти потрібна для плавлення свинцю масою 1 г, початкова температура якого 27°С?

4. Яка кількість теплоти потрібна для нагрівання стального свердла масою 100г від 15 до 115°С?

5. На скільки градусів нагріється вода масою 1,5 кг, якщо їй передати кількість теплоти 126 кДж?

6. Яка кількість теплоти потрібна для плавлення бруска з цинку масою 500 г, який взято при температурі 20°С?

7.* Яка кількість теплоти пішла на приготування у полярних умовах питної води з льоду масою 10 кг, який взято при температурі – 20 °С, якщо температура води має бути 20 °С?

2 варіант

1. Яка кількість теплоти потрібна для нагрівання цегляної печі масою 1,5 т від 10 до 30 °С?

2. Воду якої маси можна нагріти від 15 до 65 °С, якщо передати їй 840 кДж енергії?

3. Яка кількість теплоти потрібна для плавлення олова масою 10 г, початкова температура якого 32°С?

4. Скільки енергії потрібно для нагрівання води масою 200 г від 20 до 60 °С?

5. До якої температури можна нагріти олово масою 100 г і температурою 32°С, якщо передати йому 5 кДж енергії?

6. Яка кількість теплоти потрібна для плавлення заліза  масою 4 т, якщо початкова температура заліза 35°С?

7.* Яка кількість теплоти потрібна для перетворення льоду масою 2 кг, взятого при 0°С у водяну пару?

Домашнє завдання

Повторити § 12, 14

Тема. Згоряння палива. Розрахунок кількості теплоти внаслідок згоряння палива.

Відповісти на запитання

1. Що таке теплова рівновага?

2. Що можна сказати про температуру тіл, що перебувають у тепловій рівновазі?

3. Від чого залежить кількість теплоти, необхідна для нагрівання тіла?

4. Що називають питомою теплоємністю речовини?

5. Чому не можна тільки за зміною температури тіла судити про отриману ним кількість теплоти?

6. Які умови плавлення твердих тіл? Назвіть всі теплові процеси, які відбуваються при плавленні металу в плавильній печі.

7. Від чого залежить швидкість випаровування й конденсації?

Згоряння палива.

1. Виділення енергії при згорянні палива

Відомо, що джерелом енергії, яке використовується в промисловості, на транспорті, у сільському господарстві, у побуті, є паливо: вугілля, нафта, дрова, торф, природний газ й ін.

При згорянні палива виділяється енергія.

При згорянні палива атоми Карбону, що звичайно містяться в паливі, з’єднуються з атомами Оксигену, що міститься в повітрі, у результаті чого утворюється вуглекислий газ. При утворенні молекул вуглекислого газу вивільнюється певна кількість теплоти

Горіння, пов’язане з руйнуванням одних молекул й утворенням інших, супроводжується виділенням деякої кількості теплоти. При цьому зміна внутрішньої енергії зумовлена термохімічними явищами, що відбуваються з паливом.

2. Питома теплота згоряння палива

При розрахунку двигунів інженерові необхідно достеменно знати, яку кількість теплоти може виділити спалюване паливо. Для цього треба дослідним шляхом визначити, яка кількість теплоти виділиться при повному згорянні однієї й тієї ж маси палива різних видів.

Тому для енергетичної характеристики того або іншого палива вводиться фізична величина, що називається питомою теплотою згоряння палива.

·        Питома теплота згоряння палива чисельно дорівнює кількості теплоти, що виділяється при повному згорянні 1 кг палива.

Питома теплота згоряння позначається буквою q. Одиницею виміру питомої теплоти згоряння є джоуль на кілограм (Дж/кг).

Для того щоб обчислити кількість теплоти, що виділяється при згорянні довільної кількості палива, можна скористатися формулою: Q = q m

Далі розглянути таблицю 6 (с. 230 підручника) питомої теплоти згоряння палива. З таблиці видно, що, наприклад, питома теплота згоряння нафти 44 МДж/кг. Це значить, що при повному згорянні нафти масою 1 кг виділяється 44 МДж енергії.

Заитання новим матеріалом

1.     Як можна пояснити виділення теплоти під час горіння за допомогою атомно-молекулярного вчення?

2.     Що означає вираз «питома теплота згоряння палива дорівнює 12 МДж/кг»?

3.     Визначте за таблицею, яке речовина має найменшу теплотворну здатність.

4.     Визначте за таблицею, яке речовина має найбільшу теплотворну здатність.

Задачі

1. Яка кількість теплоти виділиться при повному згорянні спирту масою 200 г?

2. При повному згорянні палива виділилася кількість теплоти, що дорівнює 50 МДж. Визначте масу палива, якби як паливо використовувалися: а) природний газ; б) сухі дрова.

3. Яку масу гасу треба спалити, щоб кількості теплоти, яка виділилася, вистачило на нагрівання води масою 22 кг від 20 °C до кипіння? Тепловими втратами знехтувати.

Відповідь: 172 г.

Домашнє завдання

Опрацювати § 15, виконати вправу  15 (2, 3, 7)

Тема. Теплові двигуни. Принцип дії теплових двигунів. ККД теплового двигуна.

Звернемося до власного досліду. От закипіла вода у чайнику, почалося інтенсивне пароутворення, і кришка на чайнику «затанцювала», почала час від часу підстрибувати.

Питання 

1.     Чому так відбувається? (Пара, розширюючись, штовхає кришку.)

2.     Яке перетворення енергії відбувається при цьому? (Внутрішня енергія пари перетворюється в механічну енергію.)

3.     А що відбулося б, якби який-небудь дивак наглухо закрив кришку і носик чайника? (Розірвало б чайник!) Пара-силач розірвала б його на шматки! Тому не можна нагрівати балони навіть із негорючими газами.

Люди давно дізналися про могутню силу пари і задумалися над тим, як її використати, тобто виникли ідеї перетворити внутрішню енергію тіла в механічну.

Один із перших винахідників парових двигунів – російський механік Іван Ползунов, який у 1766 році побудував свою машину майже повністю із дерева, тому що залізо в ті часи було дуже дорогим. Із заліза був зроблений тільки казан, у якому кипіла вода, і два циліндри, у які пара впускалася із казана по черзі. Пара, заповнюючи циліндр, штовхала поршень угору. Так і ходили поршні по черзі: один – угору, другий – униз. Рухи поршнів передавалися міхам, які качали повітря в велику піч для плавлення металу. Перед самим пуском своєї машини Ползунов помер. Він уже не побачив, як у травні 1766 року її запустили, і вона працювала кілька місяців, як вона поступово розладналася, а полагодити було нікому. Адже ніхто, крім винахідника, не розумів, як і чому вона працює, тому машину розібрали й викинули. А через 18 років після смерті Ползунова англійському механіку Джеймсу Уатту вдалося побудувати дуже гарну за тих часів машину.

1. Знайомимо із принципом дії теплових двигунів

Внутрішньою енергією володіють всі тіла — Земля, цеглини, хмари й так далі. Однак найчастіше вилучити її важко, а часом й неможливо. Найбільш легко на потреби людини може бути використана внутрішня енергія лише деяких, образно кажучи, «горючих» й «гарячих» тіл. До них належать: нафта, вугілля, теплі джерела поблизу вулканів і так далі.

Розвиток техніки залежить від уміння використовувати величезні запаси внутрішньої енергії, що міститься в паливі. Використати внутрішню енергію — значить виконати за рахунок її корисну роботу, тобто внутрішню енергію необхідно перетворити в механічну.

З тих пір як людство пізнало природу теплової енергії, учені почали пошук способу перетворення теплової енергії в механічну. Над винаходом теплових машин в XVII–XVIII століттях працювали англійці Томас Севері, Джеймс Уатт, Томас Ньюкомен, француз Дені Папен, росіянин Іван Ползунов і багато інших учених.

Принцип роботи всіх теплових двигунів дуже простий: всі вони перетворюють внутрішню енергію палива в механічну енергію.

Тепловими двигунами називають машини, у яких внутрішня енергія палива частково перетворюється в механічну енергію.

Розширення робочого тіла — найважливіший процес у роботі будь-якого теплового двигуна. За допомогою демонстрацій потрібно показати учням, що газ, який має надлишковий тиск порівняно з навколишнім середовищем, може виконати роботу розширення за рахунок зміни своєї внутрішньої енергії.

Звичайно в тепловому двигуні роботу виконує сила тиску нагрітого газу (пари) при розширенні. Цей газ (або пару) називають робочим тілом теплового двигуна. Нагрівають пару за рахунок згоряння палива. Таким чином, у тепловому двигуні відбуваються такі перетворення енергії:

1) при згорянні палива його внутрішня енергія перетворюється у внутрішню енергію нагрітої пари;

2) розширюючись, пара виконує роботу, при цьому внутрішня енергія пари частково переходить у механічну енергію.

Існує кілька видів теплових двигунів: парова машина, двигун внутрішнього згоряння, парова та газова турбіни, реактивний і турбореактивний двигуни, холодильник.

                        

 ККД теплового двигуна η = (Q₁ – Q₂) 100%/ Q1 

ККД (η) двигуна – це фізична величина, що характеризує економічність теплового двигуна й показує, яка частина всієї енергії Q, що виділяється в процесі повного згоряння палива, перетворюється на корисну роботу.

2. Парова турбіна.

Для перетворення теплової енергії в механічну на теплових й атомних електростанціях використовують парові турбіни.

В основу дії турбіни покладене обертання колеса з лопатями під тиском водяної пари або газу.

·       Парова турбіна — тепловий двигун, у якому внутрішня енергія водяної пари перетворюється в механічну енергію.

Для одержання водяної пари служать спеціальні парові казани, у яких за рахунок спалювання палива одержують водяну пару за підтримання дуже великого тиску (до 3·10⁷ Па ) і дуже високої температури (до 600 °C ).

3. Двигун внутрішнього згоряння.

·        Двигунами внутрішнього згоряння називають велику групу двигунів, у яких згоряння палива відбувається усередині двигуна.

Перший двигун внутрішнього згоряння винайшов 1860 р. французький інженер Етьєн Ленуар. У 1876 р. німецький інженер Ніколаус Отто запропонував більш досконалий двигун. У 1897 р. німецький інженер Рудольф Дизель запропонував ще досконаліший двигун, згодом названий дизелем. Робота двигуна внутрішнього згоряння складається з декількох повторюваних один за одним етапів, або, як кажуть, тактів. Усього їх чотири. Відлік тактів починається з моменту, коли поршень перебуває в крайній верхній точці й обидва клапани закриті.

Перший такт називається впуск. Впускний клапан відкривається, і поршень, що опускається, засмоктує бензиново-повітряну суміш усередину камери згоряння. Після цього впускний клапан закривається.

Другий такт — стиск. Поршень, піднімаючись угору, стискає бензиново-повітряну суміш.

Третій такт — робочий хід поршня. На кінці свічі спалахує електрична іскра. Бензиново-повітряна суміш майже миттєво згоряє, і в циліндрі виникає висока температура. Це призводить до сильного зростання тиску, і гарячий газ виконує корисну роботу — штовхає поршень униз.

Четвертий такт — випуск. Випускний клапан відкривається, і поршень, рухаючись угору, виштовхує гази з камери згоряння у вихлопну трубу. Потім клапан закривається.

Отже, один робочий цикл двигуна відбувається упродовж чотирьох тактів. При цьому колінчатий вал робить два повних оберти. Отже, у двигуні внутрішнього згоряння нагрівачем є бензин, що згоряє, робочим тілом — розпечені гази, холодильником — навколишнє середовище.

В автомобільних двигунах ставлять часто кілька циліндрів. Дію їх узгоджують так, щоб при кожному такті в якомусь циліндрі здійснювався робочий хід: тоді при кожному такті вал одержує енергію від одного або декількох циліндрів. Завдяки малій масі при порівняно великій потужності двигуни внутрішнього згоряння здобули найширшого застосування на транспорті: з’явилися автомобілі, тепловози, теплоходи, літаки.

4. Реактивний двигун

Надуємо дитячу повітряну кульку й відпустимо її. Ми помічаємо, що куля летить у бік, протилежний тому, куди виходить з неї повітря. Зміцнімо колбу з вигнутою трубкою на візку над спиртівкою. Пара, що виходить із трубки, буде штовхати візок.

Що спільного в цих дослідах? Насамперед, спільне те, що відбувається взаємодія двох тіл: у першому досліді взаємодіють куля й повітря, що вилітає з нього; у другому — пара й візок.

Спільне й те, що тіла, які взаємодіють, відштовхуються одне від одного й у результаті взаємодії рухаються в протилежних напрямках.

Рух, за якого тіло змінює швидкість, відкидаючи свою частину, називають реактивним.

Найбільш простим за будовою твердопаливним реактивним двигуном є сигнальна ракета. Після запуску ракети тверде паливо в ракеті запалюється. Гази, що утворюються при цьому, випливають із отвору з великою швидкістю, а сама ракета рухається в протилежну сторону.

Рідинний реактивний двигун відрізняється від твердопаливного тільки видом палива. Паливо й окисник спеціальними насосами подаються в розпиленому вигляді в камеру згоряння. Гази, що утворилися в камері згоряння, викидаються з великою швидкістю, відштовхуючись від її стінок. У результаті ракета рухається в бік, протилежний руху газів.

Реактивний рух — єдиний спосіб переміщення в космосі, тому на космічних ракетах ставлять реактивні двигуни.

Задачі

1. Двигун автомобіля потужністю 36 кВт використовує 10кг бензину за годину. Визначити ККД двигуна.

 η = 28,2%.

2. У тепловому двигуні від нагрівача одержується 1 кДж енергії і виконується механічна робота 300 Дж. Який ККД двигуна?

3. Скільки дизельного палива спалить двигун міжміського автобуса за 1 год, якщо він розвиває потужність 110 кВт? ККД двигуна становить 25%, питома теплота згоряння дизельного палива дорівнює 4,2·10⁷ Дж /кг.

4. На спиртівці нагріли 400 г води від 20 до 80°С. Визначте ККД нагрівника, якщо на нагрівання витрачено 10 г спирту.

5. Знайти ККД нагрівника, якщо при спалюванні 100 г гасу на ньому нагрівається 5 кг води від 20°С до 40°С?

Запитання

1. Наведіть приклади перетворення внутрішньої енергії пари в механічну енергію.

2.  Які двигуни називають тепловими?

3.    Які види теплових двигунів вам відомі?

Домашнє завдання

Опрацювати § 16, 17, виконати вправу 16 (1, 2)

Підготувати проект на тему

1. Холодильні машини.

2. Кондиціонер.

3. Теплові насоси.

Контрольна робота з теми «Теплові явища»

1 варіант

1. Яка кількість теплоти виділиться при повному згорянні спирту масою 200 г?

2. При повному згорянні природного газу виділилася 44 МДж теплоти. Визначте масу природного газу.

3. У тепловій машині, ККД якої 30%, газ отримав від нагрівача 10 кДж теплоти. Яку кількість теплоти газ віддав холодильнику?

4. Двигун внутрішнього згоряння виконав корисну роботу, що дорівнює 46 МДж, і використав при цьому 2 кг бензину. Обчисліть ККД двигуна.

5. Тепловий двигун з ККД 70% отримує від нагрівача 100 кДж. Визначити корисну роботу, виконану двигуном і кількість теплоти, отриману холодильником.

6. Визначте ККД двигуна трактора, якщо для виконання корисної роботи 1,89 МДж потрібно 1,5 кг палива, питома теплота згоряння якого 4,2 МДж/кг.

2 варіант

1. Яка кількість теплоти виділиться при повному згорянні гасу масою 0,5 кг?

2. При повному згорянні кам’яного вугілля виділилася 54 МДж теплоти. Визначте масу кам’яного вугілля.

3. Яким є ККД теплового двигуна, якщо, діставши від нагрівника 1,6 МДж теплоти, двигун здійснив роботу 400 кДж? Яка кількість теплоти передана холодильникові?

4. У двигуні моторолера згоріло 2,5 кг бензину. Обчисліть ККД двигуна, якщо за цей час ним було виконано 23 МДж корисної роботи.

5. У тепловому двигуні за рахунок 10 кДж енергії виконується корисна робота 300 Дж. Визначити ККД теплового двигуна і кількість теплоти, отриману холодильником.

6. Двигун внутрішнього згоряння потужністю 36 кВт за 1 год роботи витратив 14 кг гасу. Визначте ККД двигуна.

Домашнє завдання

Повторити § 16, 17.

8 - А - 22.04.2021; 8 - Б - 23.04.2021

Контрольна робота з теми «Електричні явища. Електричний струм».

1 варіант

1. Визначте опір срібного дроту довжиною 150 см і площею перерізу 0,1 мм². (ρ = 1,6 ∙ 10^-8 Ом ∙ м).

2. Опір провідника завдовжки 10 м з площею поперечного перерізу 2 мм² дорівнює 2 Ом. Чому дорівнює питомий опір матеріалу, з якого виготовлений провідник?

3. Якого перерізу треба взяти нікеліновий дріт для виготовлення реостата, розрахованого на опір 10 Ом, якщо довжина дроту 4 м? (ρ =  40 ∙ 10^-8 Ом ∙ м).

4. Обчисліть силу струму, який проходить через реостат, виготовлений із нікелінового дроту завдовжки 40 м і з площею перерізу 1 мм², якщо напруга на затискачах реостата 21 В. (ρ = 40 ∙ 10^-8 Ом ∙ м).

5. Визначте напругу на кінцях залізного провідника довжиною 4 м з поперечним перерізом 0,05 мм², в якому сила струму  0,1 А. (ρ =  10 ∙ 10^-8 Ом ∙ м).

6. Визначте масу залізного дроту перерізом 2 мм², взятого для виготовлення реостата опором 6 Ом. (Густина заліза 7200 кг/м³, питомий опір 10 ∙ 10^-8 Ом ∙ м).

2 варіант

1. Визначте опір мідного трамвайного дроту з площею перерізу 0,65 см², якщо довжина лінії 5 км. (ρ = 1,8 ∙ 10^-8 Ом ∙ м).

2. Обмотка реостата, яку виготовлено з нікелінового дроту, має опір 36 Ом. Якої довжини цей дріт, якщо площа його перерізу 0,2 мм²? (ρ = 40 ∙ 10^-8 Ом ∙ м).

3. Дріт, довжина якого 120 см і площа перерізу 0,05 см², має опір 1,2 Ом. Визначте питомий опір речовини, з якої виготовлено дріт.

4. Обчисліть силу струму, що проходить по мідному дроту довжиною 100 м і перерізом 0,05 мм² при напрузі 6,8 В. (ρ = 1,8 ∙ 10^-8 Ом ∙ м).

5. Визначте напругу на залізному провіднику довжиною 180 см і площею перерізу 0,05 мм², в якому сила струму 0,05 А. (ρ =  10 ∙ 10^-8 Ом ∙ м).

6. Визначте масу мідного дроту, довжина якого 2 км і опір 9 Ом. (Густина міді 8900 кг/м³, питомий опір 1,8 ∙ 10^-8 Ом ∙ м).

Домашнє завдання

Повторити § 29 – 32.