Внутренняя энергия сгорания топлива.
Тепловые машины и их КПД

Опорный конспект по физике в 8 классе по темам «Внутренняя энергия сгорания топлива. Тепловые машины и их КПД». Обновлен 15.08.2026 г. Проверяемые элементы содержания (ПЭС):
👉 ФОП ООО: 6.14. Энергия топлива. Удельная теплота сгорания. 6.15. Принципы работы тепловых двигателей КПД теплового двигателя. Тепловые двигатели и защита окружающей среды.
👉 ОГЭ: 2.13. Внутренняя энергия сгорания топлива. Удельная теплота сгорания топлива. 2.14. Принципы работы тепловых двигателей. КПД теплового двигателя
Вернуться к Списку конспектов по физике

Тема, где физика встречается с реальной техникой и экологией. Мы переходим от простого нагревания к тому, как человечество научилось превращать тепло в движение. Разберемся, почему двигатель внутреннего сгорания «жрет» бензин, а толку от него всего 25–30%, и куда уходят остальные 70% энергии.

 Энергия топлива. Удельная теплота сгорания

Внутри любого топлива (дров, угля, бензина, газа) запасена химическая энергия связей между атомами. Когда топливо сгорает, эта энергия высвобождается в виде тепла.

Удельная теплота сгорания (\( q \)) — это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг (или 1 м³) топлива.

Формула:

\( Q = q \cdot m \)

где
• \( Q \) — выделившаяся теплота (Дж)
• \( q \) — удельная теплота сгорания (Дж/кг или Дж/м³)
• \( m \) — масса топлива (кг)

Запомните цифры (для ориентира):
• Дрова: \( \approx 10 \cdot 10^6 \, Дж/кг \)
• Каменный уголь: \( \approx 30 \cdot 10^6 \, Дж/кг \)
• Бензин: \( \approx 46 \cdot 10^6 \, Дж/кг \) (почти в 5 раз эффективнее дров по массе)

Значение удельной теплоты определяют экспериментально. Наибольшую удельную теплоту сгорания имеет водород, наименьшую — порох.

Метод определения удельной теплоты сгорания топлива

Как ученые узнают эти цифры? В лаборатории используется простой прибор — калориметр.

Идея метода:
1. Берут навеску топлива массой \( m \) и сжигают её в специальной герметичной камере (калориметрической бомбе).
2. Камера помещена в сосуд с водой известной массы \( m_{воды} \).
3. Вся теплота, выделившаяся при сгорании, идет на нагревание воды (и самого калориметра). Измеряют изменение температуры воды \( \Delta t \).
4. По формуле \( Q_{получ} = c_{воды} \cdot m_{воды} \cdot \Delta t \) считают полученное тепло.
5. Считают: \( q = \frac{Q_{получ}}{m_{топлива}} \).

Важно: На практике часть тепла уходит в стенки калориметра, поэтому вносят поправки, но суть метода именно такова.

Простейший тепловой двигатель

Как превратить тепло в работу? Нужно заставить нагретое вещество (газ или пар) расширяться и толкать поршень или турбину.

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу.

Схема работы любого теплового двигателя (3 звена):
1. Нагреватель: Источник тепла (сгоревший бензин, пар, горячий газ). Он передает тепло рабочему телу (газу).
2. Рабочее тело: Газ, который нагревается, расширяется и совершает работу (толкает поршень или лопатку турбины).
3. Холодильник: Часть энергии нужно сбросить, чтобы вернуть газ в исходное состояние (сжать его). Отработанный пар или горячие газы выбрасываются в атмосферу.

В качестве рабочего тела используются газ или пар, поскольку они хорошо сжимаются, и в зависимости от типа двигателя может быть топливо (бензин, керосин), водяной пар и пр. Нагреватель передаёт рабочему телу некоторое количество теплоты (Q1), и его внутренняя энергия увеличивается, за счёт этой внутренней энергии совершается механическая работа (А), затем рабочее тело отдаёт некоторое количество теплоты холодильнику (Q2) и охлаждается при этом до начальной температуры. Описанная схема представляет цикл работы двигателя и является общей, в реальных двигателях роль нагревателя и холодильника могут выполнять различные устройства. Холодильником может служить окружающая среда.

Виды тепловых двигателей (Обзор)

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя

Тепловой двигатель не может превратить всё полученное тепло в работу. Часть тепла неизбежно уходит в атмосферу через холодильник (выхлопные газы, радиатор охлаждения, трение).

КПД теплового двигателя (\( \eta \)) — это отношение полезной работы (\( A_{пол} \)) к количеству теплоты, полученному от нагревателя (\( Q_{нагр} \)).

Формула КПД:

\( \eta = \frac{A_{пол}}{Q_{нагр}} \cdot 100\% \)

Или, так как \( A_{пол} = Q_{нагр} — Q_{хол} \), то:

\( \eta = \frac{Q_{нагр} — Q_{хол}}{Q_{нагр}} \cdot 100\% \)

Почему КПД всегда < 100%? Согласно второму закону термодинамики (который проходят в старших классах), невозможно всё тепло превратить в работу. Часть энергии всегда уходит на нагрев окружающей среды.

Реальные значения КПД:
• КПД лучших паровых турбин: \( \approx 40–45\% \).
• КПД бензинового ДВС: \( \approx 25–30\% \).
• КПД дизельного двигателя: \( \approx 35–45\% \).
• КПД реактивного двигателя: \( \approx 30–50\% \).

Главный вывод: Больше половины энергии топлива уходит в атмосферу просто так (нагревает воздух)! Именно поэтому инженеры постоянно ищут способы повышения КПД.

Решение типовых задач на КПД тепловых двигателей

ЗАДАЧА №1 (Прямой расчет КПД)

Условие: Тепловой двигатель получил от нагревателя 600 кДж тепла и совершил полезную работу 150 кДж. Найдите КПД двигателя.
Дано:
\( Q_{нагр} = 600 \, кДж = 600\,000 \, Дж \)
\( A_{пол} = 150 \, кДж = 150\,000 \, Дж \)
Решение:
\( \eta = \frac{A_{пол}}{Q_{нагр}} \cdot 100\% = \frac{150\,000}{600\,000} \cdot 100\% = 0,25 \cdot 100\% = 25\% \).
Ответ: \( 25\% \).

ЗАДАЧА №2 (Нахождение тепла, отданного холодильнику)

Условие: КПД теплового двигателя 35%, он получил от нагревателя 1000 кДж тепла. Какое количество теплоты двигатель отдал холодильнику (окружающей среде)?
Дано:
\( \eta = 35\% = 0,35 \)
\( Q_{нагр} = 1000 \, кДж \)
\( Q_{хол} — ? \)
Решение:
1. КПД показывает, какая часть \( Q_{нагр} \) пошла на работу: \( A_{пол} = \eta \cdot Q_{нагр} = 0,35 \cdot 1000 = 350 \, кДж \).
2. Остальная энергия ушла в холодильник: \( Q_{хол} = Q_{нагр} — A_{пол} = 1000 — 350 = 650 \, кДж \).
Ответ: \( 650 \, кДж \).

ЗАДАЧА №3 (Связь с массой топлива — сложная, но типовая)

Условие: Автомобильный двигатель мощностью 50 кВт имеет КПД 25%. Сколько бензина он сжигает за 1 час работы? (\( q_{бензина} = 46 \cdot 10^6 \, Дж/кг \)).
Дано:
\( P = 50 \, кВт = 50\,000 \, Вт \)
\( t = 1 \, ч = 3600 \, с \)
\( \eta = 25\% = 0,25 \)
\( q = 46 \cdot 10^6 \, Дж/кг \)
\( m — ? \)
Решение:
1. Найдем полезную работу, совершенную за 1 час:
\( A_{пол} = P \cdot t = 50\,000 \cdot 3600 = 180\,000\,000 \, Дж = 180 \, МДж \).
1. КПД = 25% означает, что работа составляет 25% от всей теплоты сгорания. Значит, полная теплота (энергия, выделившаяся при сгорании):
\( Q_{нагр} = \frac{A_{пол}}{\eta} = \frac{180\,000\,000}{0,25} = 720\,000\,000 \, Дж \).
1. Находим массу сгоревшего бензина:
\( m = \frac{Q_{нагр}}{q} = \frac{720\,000\,000}{46 \cdot 10^6} \approx 15,65 \, кг \).
Ответ: \( \approx 15,65 \, кг \) бензина за час.

Огнестрельное оружие как тепловая машина.

Огнестрельное оружие действительно можно рассматривать как тепловую машину — правда, особого, импульсного типа.

Суть аналогии. В любой тепловой машине энергия топлива превращается в механическую работу через расширение рабочего тела (газа или пара). В огнестрельном оружии процесс похож:
• Нагреватель — заряд пороха. При воспламенении химическая энергия пороха переходит в тепловую.
• Рабочее тело — пороховые газы. При сгорании они резко расширяются, их объём многократно увеличивается.
• Механическая работа — расширяющиеся газы толкают снаряд (пулю), сообщая ему кинетическую энергию. В этой аналогии снаряд играет роль поршня. А ствол выполняет функцию цилиндра.

Чем это отличается от классических тепловых машин (например, ДВС)?
• Скорость. В огнестрельном оружии все процессы (сгорание, расширение газов, выброс снаряда) протекают за сотые или тысячные доли секунды — гораздо быстрее, чем в ДВС.
• Прерывность. В классических машинах цикл повторяется непрерывно. В огнестрельном оружии каждый «цикл» требует ручного (или механизированного, но дискретного) вмешательства: нужно вложить новый заряд и снаряд.
• Незамкнутость. В классической тепловой машине рабочее тело проходит замкнутый термодинамический цикл (нагревание, расширение, охлаждение, сжатие). В огнестрельном оружии газы после выброса снаряда не возвращаются в систему для повторного использования — они уходят в окружающую среду.

Ещё пара деталей
• Часть тепловой энергии не идёт на полезную работу: значительная доля (по некоторым оценкам, около 2/3) расходуется на нагрев самого ствола.
• Огнестрельное оружие исторически считается одной из первых реализаций принципа поршневого двигателя внутреннего сгорания.
• Как и другие двигатели, оно может иметь системы охлаждения (воздушное, жидкостное), а в массивных установках применяют принудительную продувку ствола после выстрела.

Вывод: по базовому принципу преобразования энергии огнестрельное оружие — тепловая машина, но адаптированная для специфической задачи: разового, мощного импульса для метания снаряда.

ЗАДАЧА №4 (КПД огнестрельного оружия)

Условие. Патрон содержит пулю массой $m = 9\ \text{г} = 0{,}009\ \text{кг}$ и пороховой заряд массой $m_{\text{п}} = 1{,}5\ \text{г} = 0{,}0015\ \text{кг}$. При выстреле пуля приобретает скорость $v = 700\ \text{м/с}$. Удельная теплота сгорания пороха $q = 3{,}8 \cdot 10^6\ \text{Дж/кг}$. Считая, что вся энергия сгорания пороха пошла на нагрев ствола и движение пули, рассчитайте КПД этой «тепловой машины» (т.е. долю энергии, пошедшую на кинетическую энергию пули).
Решение
Шаг 1. Найдём полезную работу (кинетическую энергию пули). Полезная работа $A_{\text{пол}}$ в данном случае — это кинетическая энергия пули:
$$
A_{\text{пол}} = E_k = \frac{1}{2} m v^2
$$
Подставляем значения:
\( E_k = \frac{1}{2} \cdot 0{,}009 \cdot (700)^2 = 0{,}0045 \cdot 490\ 000 = 2205\ \text{Дж}\)
Шаг 2. Найдём затраченную энергию (энергию сгорания пороха). Затраченная энергия
$Q_{\text{затр}}$ — это количество теплоты, выделившееся при полном сгорании порохового заряда:
$$
Q_{\text{затр}} = q \cdot m_{\text{п}}
$$
Подставляем:
\( Q_{\text{затр}} = 3{,}8 \cdot 10^6 \cdot 0{,}0015 = 5700\ \text{Дж}\)
Шаг 3. Рассчитаем КПД. Коэффициент полезного действия $\eta$ — это отношение полезной работы к затраченной энергии, выраженное в процентах:
$$
\eta = \frac{A_{\text{пол}}}{Q_{\text{затр}}} \cdot 100\%
$$
Подставляем найденные значения:
\( \eta = \frac{2205}{5700} \cdot 100\% \approx 38{,}7\%\)
Ответ. КПД огнестрельного оружия в этой задаче составляет примерно 38,7 %.

Важное пояснение! В реальности КПД огнестрельного оружия обычно ниже (часто 25–35 % и даже меньше), потому что:
• не вся энергия пороха превращается только в кинетическую энергию пули и нагрев ствола — есть потери на звук, световую вспышку, трение пули о ствол;
• сгорание пороха не всегда полное;
• часть газов выходит вслед за пулей, унося с собой энергию.

КОРОТКО О ГЛАВНОМ (ИТОГИ):

1. Удельная теплота сгорания (\( q \)) — это энергия, которую мы получаем от 1 кг топлива. Чем она больше, тем топливо выгоднее.
2. Любой тепловой двигатель работает по схеме: нагреватель → рабочее тело → холодильник.
3. КПД теплового двигателя показывает, какая часть энергии топлива превращается в полезную работу.
4. КПД всегда < 100% (для ДВС ~ 25–30%), потому что часть тепла неизбежно уходит в атмосферу или на нагрев деталей.
5. Для повышения КПД нужно либо увеличить температуру нагревателя, либо уменьшить потери тепла (трение, выхлоп).

Отдельные виды тепловых машин и их КПД смотрите в следующих конспектах:

•  + Паровая машина. Паровоз. Пароход. Паровая турбина.
•  + Газовая турбина. Реактивный двигатель. Холодильные машины. Кондиционер
•  + Двигатели внутреннего сгорания. Дизель и карбюратор. Автомобили.
•  + Тепловые двигатели и защита окружающей среды. Альтернативные источники энергии

❓ Вопрос на подумать (мостик к новой теме):

Почему дизельный двигатель (КПД ~ 40%) экономичнее бензинового (КПД ~ 25%)?

Конспект урока по физике для 8 класса «Внутренняя энергия сгорания топлива. Тепловые машины и их КПД». 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