Газовая турбина. Реактивный двигатель.
Холодильные машины. Кондиционер

Дополнительный конспект по физике в 8 классе «Газовая турбина. Реактивный двигатель. Холодильные машины. Кондиционер» к опорному конспекту № 14.
Вернуться к Списку конспектов по физике

Переходим к самым современным и мощным двигателям, а также к устройствам, которые работают «наоборот» — не нагревают, а охлаждают. Это завершающая лекция по теме «Тепловые двигатели». Разберемся, как работает турбина самолета, почему ракета летит в космос, и как холодильник переносит тепло из морозилки в комнату (нарушая «естественный» ход вещей).

Газовая турбина (Сердце авиации)

Мы уже знаем паровую турбину (где пар крутит лопатки). А теперь тот же принцип, но вместо пара — горячие газы, образующиеся при сгорании топлива прямо внутри турбины.
📌 Газовая турбина — это тепловой двигатель, в котором лопатки ротора вращаются потоком горячих газов, образующихся при сгорании топлива.

Принцип работы (схема):
1. Компрессор засасывает воздух из атмосферы и сильно сжимает его (давление растет).
2. Сжатый воздух подается в камеру сгорания, где впрыскивается топливо (керосин) и поджигается. Температура газов достигает 1000–1500°C.
3. Горячие газы с огромной скоростью вырываются из камеры сгорания и попадают на лопатки турбины, заставляя их вращаться.
4. Турбина вращает компрессор (чтобы засасывать новую порцию воздуха) и полезную нагрузку (например, пропеллер или генератор).
Главное преимущество: Газовая турбина очень мощная при небольшом весе. Именно поэтому их ставят на самолеты, вертолеты, танки и быстроходные корабли.
Недостаток: Она очень прожорливая и шумная, а также требует дорогих жаропрочных материалов.

Газовые турбины используются в составе газотурбинных двигателей, стационарных газотурбинных установках и парогазовых установках. Газотурбинный двигатель (ГТД) — это воздушный двигатель, в котором воздух сжимается нагнетателем перед сжиганием в нём топлива, при этом нагнетатель приводится в движение газовой турбиной, использующей часть энергии нагретых таким образом газов.

Реактивный двигатель (Третий закон Ньютона в действии)

Реактивный двигатель — это «старший брат» газовой турбины. Он тоже сжигает топливо в потоке воздуха, но главное в нём — не вращение турбины, а создание реактивной тяги.
📌 Реактивный двигатель — это двигатель, который создает силу тяги путем выброса отработанных газов в сторону, противоположную движению.

Как это работает (III закон Ньютона):
1. Воздух засасывается в двигатель, сжимается, смешивается с топливом и сгорает.
2. Горячие газы с огромной скоростью (до 1000 м/с) выбрасываются назад через сопло.
3. По закону сохранения импульса, самолет (или ракета) получает толчок вперед.
4. Чем быстрее вылетают газы, тем больше скорость аппарата.

Особый случай — Ракета: Ракетный двигатель не нуждается в воздухе! Он несет с собой и топливо, и окислитель (кислород) в баллонах. Поэтому ракеты могут летать в безвоздушном космическом пространстве. Именно это открыло человечеству дорогу в космос.

Холодильные машины (Тепло идет «вверх»)

Это самый удивительный механизм. Вроде бы по законам физики тепло должно переходить от горячего к холодному (второй закон термодинамики). Но холодильник делает наоборот: он отбирает тепло из холодной камеры (где –18°C) и отдает его в теплую комнату (где +25°C).
📌 Холодильная машина — это устройство, которое переносит теплоту от холодного тела (внутри холодильника) к горячему телу (в комнату) за счет совершения механической работы (электродвигателем).

Принцип работы (по этапам):
1. Хладагент — специальный газ (фреон), который легко превращается в жидкость и обратно, циркулирует по замкнутому контуру.
2. Испаритель (внутри холодильника): Жидкий фреон подается в трубки внутри морозилки под низким давлением. Он мгновенно испаряется (кипит), забирая огромное количество тепла из камеры. Камера охлаждается.
3. Компрессор (сзади холодильника): Насос засасывает пары фреона, сжимает их до высокого давления (совершая работу). При сжатии газ нагревается.
4. Конденсатор (сзади холодильника, горячая решетка): Горячий сжатый фреон попадает в змеевик на задней стенке. Он остывает, отдавая тепло воздуху в комнате, и превращается обратно в жидкость.
5. Жидкий фреон через тонкий капилляр снова поступает в испаритель — и цикл повторяется.

Вывод: Мы «перекачиваем» тепло изнутри наружу. Именно поэтому задняя стенка холодильника всегда теплая. Электрический ток нужен компрессору, чтобы сжимать газ.

Кондиционер (Тот же холодильник, только наоборот)

Кондиционер работает по тому же принципу, что и холодильник, но меняет местами испаритель и конденсатор.
• Режим охлаждения: Кондиционер забирает тепло из комнаты (испаряет фреон внутри квартиры) и выбрасывает его на улицу (конденсирует фреон в наружном блоке). Поэтому из наружного блока кондиционера дует горячий воздух.
• Режим обогрева: За счет специального клапана (реверсивного цикла) кондиционер меняет направления потоков. Он забирает тепло даже из холодного зимнего воздуха на улице и отдает его в комнату. Да, кондиционер может греть эффективнее обычного обогревателя (он тратит 1 кВт электричества, чтобы «перекачать» 3–4 кВт тепла с улицы)!

Решение типовых задач

ЗАДАЧА №1 (Сила тяги реактивного двигателя)

Условие: Реактивный двигатель выбрасывает газы со скоростью 800 м/с. Расход газов составляет 2 кг/с. Найдите силу тяги двигателя.
Дано:
\( v_{газов} = 800 \, м/с \)
\( \frac{\Delta m}{\Delta t} = 2 \, кг/с \) (расход массы)
Решение:
По второму закону Ньютона для переменной массы (импульсная форма): \( F = \frac{\Delta p}{\Delta t} = \frac{m \cdot v}{t} = \text{расход} \cdot v \).
\( F = 2 \cdot 800 = 1600 \, Н \).
Ответ: \( 1600 \, Н \).

ЗАДАЧА №2 (КПД газовой турбины)

Условие: Газовая турбина получила от нагревателя 5000 кДж тепла и отдала холодильнику (выхлопным газам) 3500 кДж. Найдите КПД турбины и совершенную работу.
Дано:
\( Q_{нагр} = 5000 \, кДж \)
\( Q_{хол} = 3500 \, кДж \)
Решение:
1. Работа: \( A = Q_{нагр} — Q_{хол} = 5000 — 3500 = 1500 \, кДж \).
2. КПД: \( \eta = \frac{A}{Q_{нагр}} \cdot 100\% = \frac{1500}{5000} \cdot 100\% = 30\% \).
Ответ: Работа = 1500 кДж, КПД = 30%.

ЗАДАЧА №3 (Холодильная машина — энергия, отданная в комнату)

Условие: Холодильник забирает из морозилки 1500 кДж тепла. Компрессор холодильника за это время совершил работу 400 кДж. Какое количество теплоты отдал холодильник в комнату (через заднюю стенку)?
Дано:
\( Q_{холод} = 1500 \, кДж \) (забрал изнутри)
\( A_{компр} = 400 \, кДж \) (затратил электроэнергии)
Решение:
Энергия никуда не исчезает. Электроэнергия (работа) перешла в тепло, и это тепло вместе с «отобранным» из камеры теплом ушло в комнату.
\( Q_{комнате} = Q_{холод} + A_{компр} = 1500 + 400 = 1900 \, кДж \).
Ответ: \( 1900 \, кДж \).

ИТОГОВАЯ ТАБЛИЦА: ВСЕ ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Смотрите предыдущие конспекты по теме Тепловые двигатели:

• ОК № 14. Энергия сгорания топлива. Удельная теплота сгорания. Тепловые машины и их КПД
• Паровая машина. Паровоз. Пароход. Паровая турбина.
• Двигатели внутреннего сгорания. Дизель и карбюратор. Автомобили.

КОРОТКО О ГЛАВНОМ (ИТОГИ)

1. Газовая турбина — это двигатель, где лопатки вращаются самими горячими газами от сгоревшего топлива. Ставится на самолеты и танки.
2. Реактивный двигатель создает силу тяги не вращением, а реакцией отбрасывания газов назад (ракеты и сверхзвуковые самолеты).
3. Холодильная машина — это тепловой насос. Она берет тепло из холодной среды и выбрасывает его в горячую, но для этого ей обязательно нужно затратить работу (электричество).
4. Кондиционер — разновидность холодильной машины, которая может работать как на охлаждение, так и на обогрев.

❓ Вопрос на подумать: В чем принципиальное отличие теплового двигателя (ДВС, турбина) от электрического двигателя?

Конспект урока по физике для 8 класса «Газовая турбина. Реактивный двигатель. Холодильные машины. Кондиционер». 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