Паровая машина. Паровоз.
Паровая турбина. Газовая турбина
Дополнительный конспект по физике в 8 классе «Паровая машина. Паровоз. Паровая турбина. Газовая турбина» к опорному конспекту № 14.
Вернуться к Списку конспектов по физике
Увлекательная тема — история о том, как человек «приручил пар» и совершил промышленную революцию. Разберем устройство паровых машин, но и пройдем путь от первых неуклюжих насосов до гигантских турбин, которые вращают генераторы на электростанциях. Это будет экскурсия в историю инженерии с физикой внутри.
Паровая машина: Рождение эпохи пара
Идея использовать силу пара для движения механизмов — не нова. Ещё древние греки знали про эолипил (шар с соплами, который вращался от струи пара), но это была просто игрушка. Настоящая эра пара началась в 18 веке, когда требовалось откачивать воду из глубоких шахт.
📌 Паровая машина — это тепловой двигатель, в котором механическая работа совершается за счёт расширения водяного пара в цилиндре с поршнем.
Принцип работы (упрощенно по тактам):
1. Впуск пара: Пар из котла (огромное давление) поступает в цилиндр, толкая поршень в одну сторону.
2. Выпуск: Поршень доходит до конца, клапан перекрывает пар, и отработанный пар выпускается наружу (в атмосферу или в конденсатор).
3. Обратный ход: С помощью маховика (или другого клапана, если машина двойного действия) поршень возвращается обратно.
4. Цикл повторяется.
Именно благодаря паровозам и пароходам человечество смогло быстро перемещать огромные грузы и людей задолго до появления бензиновых двигателей.
Паровые автомобили (Забытый первенец)
Мало кто знает, что автомобили на пару были изобретены раньше, чем бензиновые!
• В 1769 году француз Кюньо построил первый паровой тягач для перевозки пушек. Он передвигался со скоростью… 3,7 км/ч (как пешеход!), а воды и пара хватало всего на 15 минут.
• В начале 20 века паровые автомобили (например, марки Stanley) могли разгоняться до 100 км/ч и устанавливали рекорды скорости.
Почему они не прижились?
• Огромный вес (нужно было возить с собой воду, топливо и огромный котел).
• Долгий розжиг (чтобы паровой автомобиль поехал, нужно было ждать 20–30 минут, пока закипит вода).
Паровоз и железная дорога (Революция в транспорте)
Это самое знаменитое применение паровой машины. Первый полноценный паровоз построил Джордж Стефенсон в 1829 году («Ракета»).
Как работал паровоз:
1. В топке (котле) сжигали уголь. Тепло нагревало воду в котле.
2. Образовавшийся пар поступал в цилиндры, толкал поршни, а те, через шатуны, вращали колеса.
3. Отработанный пар выбрасывался в дымовую трубу, создавая тягу в топке.
Скорость паровозов со временем достигала 150 км/ч, а мощность — нескольких тысяч лошадиных сил. Благодаря им возникли целые города и заводы вдоль железных дорог.
Пароход (Пар покоряет воду)
Первые пароходы тоже появились в начале 19 века. Вместо поршней и колес, как у паровоза, здесь использовали гребные колеса (по бокам) или гребной винт.
• Паровой двигатель вращал колесо или винт, и корабль двигался против ветра и течения.
• Пароходы положили начало регулярным морским пассажирским линиям (например, знаменитый «Титаник» хотя и имел паровые турбины и поршневые машины, но уже ближе к концу эпохи пара).
Недостаток: Пароходы везли с собой уголь для котлов. Корабль мог пройти ограниченное расстояние, пока не кончится уголь (запасы занимали до 50% места в трюме!).
Паровая турбина (Вершина инженерной мысли)
Вращательное движение удобнее возвратно-поступательного (поршневого). Паровая турбина — это двигатель, где энергия пара преобразуется в работу вращения без поршней.
📌 Паровая турбина — это тепловой двигатель, в котором струя пара высокого давления вращает лопатки ротора.
Принцип работы паровой турбины
Устройство очень похоже на ветряк, но вместо ветра — мощная струя пара.
Устройство:
1. Ротор (рабочее колесо): Это диск с лопатками, закрепленный на валу.
2. Статор (сопловый аппарат): Неподвижные лопатки, которые направляют пар на лопатки ротора под определённым углом.
3. Корпус: Огромный прочный кожух, выдерживающий огромное давление.
Цикл работы:
1. Пар (перегретый до высокой температуры) поступает под большим давлением из котла (или атомного реактора).
2. Он попадает на лопатки соплового аппарата, которые закручивают струю и направляют её прямо на лопатки ротора.
3. Молекулы пара бьют по лопаткам ротора и заставляют вал вращаться с огромной скоростью (до 3000 об/мин и выше).
4. Отработанный пар (сбросивший давление) выходит из турбины и направляется в конденсатор (для охлаждения и превращения обратно в воду), чтобы снова подаваться в котел (замкнутый цикл).
Использование паровых турбин (Где мы их видим?)
Сейчас поршневые паровые машины почти не используются (кроме исторических поездов). Их заменили паровые турбины, потому что у них огромная мощность:
1. Электростанции (ТЭС и АЭС): Паровая турбина вращает ротор генератора, вырабатывая электричество для целых городов. Мощность турбин на станциях достигает 1–1,5 ГВт!
2. Морские суда: Крупные корабли (атомные ледоколы, авианосцы) используют паровые турбины для вращения гребных винтов.
3. Тепловозы: Редко, но раньше были паротурбовозы.
Преимущества и недостатки паровых турбин
| Преимущества | Недостатки |
| Огромная мощность при относительно малых размерах. | Медленный разгон (турбину нельзя быстро запустить и остановить, как ДВС). |
| Высокая надежность (нет сложных поршней и кривошипов, только вращающиеся лопатки). | Сложность конструкции (высокие требования к материалам для лопаток, они работают при 600°C). |
| Можно использовать любое топливо (уголь, мазут, газ, ядерное топливо) для нагрева пара. | Требует огромного количества охлаждающей воды (реки, моря) для конденсации отработанного пара. |
| Очень высокий КПД (до 45–47% на современных ТЭС). | Сложность регулирования при малых нагрузках (обычно работают на полную мощность). |
Решение типовых задач на паровые машины
ЗАДАЧА №1 (Нахождение КПД паровой турбины)
Условие: Паровая турбина получает от нагревателя количество теплоты 20 000 кДж и отдает холодильнику 12 000 кДж. Найдите КПД турбины и совершенную работу.
Дано:
\( Q_{нагр} = 20\,000 \, кДж \)
\( Q_{хол} = 12\,000 \, кДж \)
\( \eta — ? \), \( A — ? \)
Решение:
1. Полезная работа: \( A = Q_{нагр} — Q_{хол} = 20\,000 — 12\,000 = 8\,000 \, кДж \).
2. КПД: \( \eta = \frac{A}{Q_{нагр}} \cdot 100\% = \frac{8\,000}{20\,000} \cdot 100\% = 0,4 \cdot 100\% = 40\% \).
Ответ: КПД = 40%, работа = 8 000 кДж.
ЗАДАЧА №2 (Мощность и расход пара)
Условие: Мощность паровой турбины составляет 30 МВт. Сколько тепла она получает за 1 час, если её КПД равен 30%? (\( 1 \, МВт = 10^6 \, Вт \)).
Дано:
\( P = 30 \, МВт = 30 \cdot 10^6 \, Вт \)
\( t = 1 \, ч = 3600 \, с \)
\( \eta = 30\% = 0,3 \)
\( Q_{нагр} — ? \)
Решение:
1. Полезная работа за час: \( A_{пол} = P \cdot t = 30 \cdot 10^6 \cdot 3600 = 108 \cdot 10^9 \, Дж = 108 \, ГДж \).
2. КПД показывает, что работа составляет 30% от полученного тепла: \( \eta = \frac{A}{Q_{нагр}} \).
Значит: \( Q_{нагр} = \frac{A_{пол}}{\eta} = \frac{108 \cdot 10^9}{0,3} = 360 \cdot 10^9 \, Дж = 360 \, ГДж \).
Ответ: \( 360 \, ГДж \).
ЗАДАЧА №3 (Сравнение КПД поршневой машины и турбины)
Условие: Паровая машина старого паровоза совершила работу 2000 кДж, сжигая уголь, который выделил 8000 кДж тепла. Паровая турбина современной ТЭС при таком же количестве тепла совершила работу 3200 кДж. Сравните КПД этих машин.
Дано:
\( Q_{общ} = 8000 \, кДж \) (для обоих)
\( A_{маш} = 2000 \, кДж \)
\( A_{турб} = 3200 \, кДж \)
Решение:
1. КПД паровой машины: \( \eta_{маш} = \frac{2000}{8000} \cdot 100\% = 25\% \).
2. КПД паровой турбины: \( \eta_{турб} = \frac{3200}{8000} \cdot 100\% = 40\% \).
3. Сравниваем: \( \frac{40}{25} = 1,6 \).
Ответ: КПД турбины в 1,6 раза выше, чем у поршневой машины.
ИТОГИ ПО ТЕМЕ
| Что это? | Как работает? | Где применяется? | КПД |
| Паровая машина (поршневая) | Пар давит на поршень в цилиндре. | Паровозы, пароходы, старые заводы. | 15–25% |
| Паровая турбина | Пар вращает лопатки ротора. | ТЭС, АЭС, крупные корабли. | 35–47% |
| Паровой автомобиль | Паровая машина с котлом в кузове. | Исторические экспонаты. | Низкий (из-за веса) |
❓ Вопрос на подумать: Почему на атомных подводных лодках и авианосцах (где ограничен запас топлива и воздуха) используют именно паровые турбины, а не дизельные двигатели или газовые турбины?
Конспект урока по физике для 8 класса «Паровая машина. Паровоз. Паровая турбина. Газовая турбина». Выберите дальнейшее действие:
- Вернуться к Списку конспектов по физике для 7-11 классов
- Найти конспект через Кодификатор ОГЭ по физике
- Найти конспект через Кодификатор ЕГЭ по физике
