3. Применение фотоэффекта. Фотоэлементы, фоторезисторы, солнечные батареи. Билет № 4.

1. Неравномерное прямолинейное движение. Средняя и мгновенная скорость. Ускорение. Примеры расчёта средней скорости: равные отрезки пути и равные промежутки времени.

2. Неравномерное прямолинейное движение – это движение, которое за равные промежутки времени проходит разные расстояния.

Средняя скорость. Средней (по времени) скоростью неравномерного движения точки называется отношение изменения ее координаты Δx к интервалу времени Δt, в течение которого это изменение произошло: v_x= Δx/Δt.

Мгновенная скорость. Мгновенная скорость – скорость тела в данный момент временили в данной точки траектории. Мгновенной скоростью при прямолинейном движении называется предел, к которому стремится отношение изменения координаты точки к интервалу времени, за которое это изменение произошло, если интервал времени стремится к 0:

_х=lim

Ускорение – это движение, в котором растет мгновенная скорость.

Равноускоренное движение – это движение, при котором мгновенная скорость за любые равные промежутки времени увеличивается на одну и ту же величину.

В случае равноускоренного движения ускорением называют отношение приращения скорости к промежутку времени, за который это приращение произошло:

а=(v₂-v₁)/(t₂-t₁)=(v₂-v₁)/t

Ускорение – скорость изменения скорости.

При равноускоренном движении ускорение численно равно приращению скорости за единицу времени, т. е. метр в секунду на секунду.

Если движение не является равноускоренным, то можно ввести, пользуясь той же формулой, понятие среднего ускорения. Ускорение – это физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости. Ускорением называется предел отношения изменения скорости к промежутку времени , в течение которого это изменение произошло, если интервал времени стремится к 0:

= lim ( 0).

3. Работа газа и пара при расширении. Тепловые двигатели. Кпд тепловых двигателей. Двигатель внутреннего сгорания и его работа. Паровая турбина. Дизель. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Работа газа и пара при расширении. Газ или пар, расширяясь, совершает работу, против внешних сил приводит в движение какой-либо механизм.

За термодинамическую систему примем газ, находящийся в цилиндре под поршнем. Подвижный поршень может без трения перемещаться вдоль стенок цилиндра.

В начальном состоянии температура газа равна температуре среды. Поршень находится в состоянии покоя, т. к. давление p на него снаружи и изнутри одинаково.

Сообщим газу некоторое кол-во теплоты. Газ начнет расширяться, и поршень перемещается вверх на расстояние Δh. Согласно первому закону термодинамики, подводимая в этом случае энергия идет на нагревание газа, т. е. на увеличение его внутренней энергией, => на совершение им за счет этого работы А по перемещению поршня на расстояние Δh:

A=FΔh

Т. к. давление не менялось, то действующая на поршень сила давления газа равна:

F=pS => A=pSΔh

Термодинамический процесс, при котором T и V изменяются, а давление остается постоянным, называется изобарным.

Можно записать через разность объемов: A=pΔV

Тепловые двигатели. Непрерывное или периодически повторяющееся получение работы за счет охлаждения тел может иметь место лишь в том случае, если совершающий работу двигатель только получает теплоту от какого – либо тела (нагреватель), но вместе с тем отдаёт часть теплоты другому телу (холодильнику). На совершение работы идет не вся теплота, полученная от нагревателя, а только ее часть, остальная же теплота отдается холодильнику.

Машины, производящие мех. работу в результате обмена теплотой с окружающими телами, называются тепловыми двигателями. В большинстве таких машин нагревание получается при сгорании топлива, благодаря чему нагреватель получает достаточно высокую температуру.

Тепловые двигатели бывают разного рода, использующие разные топлива, однако принцип остается тот же, вот некоторые из этих двигателей:

а) Паровой поршневой двигатель

б) Двигатель внутреннего сгорания

в) Двигатель Дизеля

г) Реактивные двигатели

К. п. д. тепловых двигателей. Назначение теплового двигателя – производить механическую работу. Только часть теплоты, полученная двигателем, затрачивается на совершение работы. Отношение механической работы, совершаемой двигателем, к израсходованной энергии называется К. п. д.

ἠ=Q_П/Q_З 100%

В термодинамике доказывается, что при идеальном процессе превращения внутренней энергии в механическую и при отсутствии механических потерь к. п. д. был бы равен ἠ=(T₁-T2)/T₁

T₁ – максимальная температура рабочего тела – газа, пара;

T₂ - минимальная температура холодильника или обработанных продуктов горения.

Для увеличения к. п. д. тепловых машин необходимо лишь стремится к повышению температуры нагревателя и к понижению темп. холодильника.

Двигатель внутреннего сгорания и его работа. Самый распространенный тип теплового двигателя – двигатель внутреннего сгорания. Эти двигатели могут работать на жидком топливе, на газе (сохр. в сжатом виде).

Основной частью двигателя внутреннего сгорания является один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Внутри цилиндра может передвигаться поршень . Поршень представляет собой полый, с одной стороны цилиндр, опоясанный пружинящими кольцами, вложенными в канавке на поршне. Назначение поршневых колец – не пропускать газы, образующиеся при сгорании топлива, в промежуток между поршнем и стенками цилиндра. Поршень снабжен металлическим стержнем («пальцем»), служащим для соединения поршня с шатуном. Шатун в свою очередь служит для передачи движения от поршня к коленчатому валу.

Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через один из каналов – впускной подается горючая смесь, через другой – выпускной выбрасываются продукты сгорания. Клапаны открываются при помощи кулачков, помещенных на кулачковом валу; при вращении вала кулачки поднимают клапаны посредством стальных стержней (толкателей). Кроме клапанов, в верхней части цилиндра помещается так называемая свеча, она служит для зажигания смеси посредством электрической искры, получаемой от установленных на двигателе электрических приборов (магнето или бобины).

Работа двигателя состоит из четырех тактов.

I такт – всасывание. Открывается впускной клапан, и поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь из карбюратора.

II такт – сжатие. Впускной клапан закрывается, и поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. Смесь при сжатии нагревается.

III такт – сгорание. Когда поршень достигает верхнего положения, смесь поджигается электрической искрой, даваемой свечой. Сила давления газов – раскаленных продуктов сгорания горючей смеси – толкает поршень вниз. Движения поршня передаются коленчатому валу, и этим производится полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются, и давление их падает. К концу рабочего хода давление в цилиндре падает почти до атмосферного.

IV такт – выпуск (выхлоп).

Паровая турбина. Из котла пар по паропроводу поступает в турбину или в поршневую машину. Турбина состоит из стального цилиндра, внутри которого находится вал с укрепленными на нем рабочими колесами. На рабочих колесах находятся особые изогнутые лопатки. Между рабочими колесами помещаются сопла или направляющие лопатки. Пар, вырываясь из промежутков между направляющими лопатками, попадает на лопатки рабочего колеса. Рабочее колесо при этом вращается, производя работу. Причиной вращения колеса в паровой турбине является реакция струи пара. Внутри турбины пар расширяется и охлаждается. Входя в турбину по узкому паропроводу, он выходит из нее по очень широкой трубе. Турбина может вращаться только в одном направление и скорость ее не может меняться в широких пределах.

Дизель. Как повысить к. п. д. двигателя внутреннего сгорания? И расчеты, и опыты показывают, что для этого надо употреблять большую степень сжатия (отношения между наибольшим и наименьшим объемами цилиндра). При большом сжатии горючая смесь сильнее нагревается и получается более высокая температура во время горения смеси. Однако в двигателях автомобильного типа нельзя употреблять сжатие более 4 – 5-кратного. При большей степени сжатия горючая смесь нагревается в течение второго такта настолько, что воспламеняется раньше, чем нужно, и детонирует.

Это затруднение обойдено в двигателе, сконструированном в конце XIX века Р. Дизелем (двигатель Дизеля или просто дизель). В дизеле подвергается сжатию не горючая смесь, а чистый воздух. Сжатие применяется 11-12 – кратное, причем получается нагревание воздуха 500 – 600 ^оС. Когда сжатие заканчивается, в цилиндр взбрызгивается жидкое топливо, например нефть. Делается это при помощи особой форсунки, работающей от сжатого воздуха, нагнетаемого компрессором или насосом. Зажигание разбрызганной и испарившейся нефти происходит вследствие высокой температуры, получившейся в цилиндре при сжатии, и не требует никаких вспомогательных поджигающих устройств. Во время горения нефти, продолжающегося значительно дольше, чем горение смеси бензин – воздух в автомобильном двигателе, поршень движется вниз и производит работу. Затем производится выбрасывание отработанных газов.

Дизель оказался более экономичным двигателем, чем бензиновый (к. п. д. около 38 %). Он может иметь большую мощность. Дизели ставят на судах (теплоходах), тепловозах, тракторах, Грузовых автомобилях, небольших электростанциях - т. е. там, где вес не имеет большого значения. Большим преимуществом дизеля является то, что он работает на дешевых «тяжелых» сортах топлива, а не на дорогом очищенном бензине. Кроме того, дизели не нуждаются в особой системе зажигания. Однако в тех случаях, когда требуется минимальный вес двигателя при данной мощности, дизели оказываются менее выгодными.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды. Проблема влияния на окружающую среду продуктов сгорания:

а) загрязнение водоемов и атмосферы (золой, сажей оксидами, серы и азота…); на сжигание топлива уходит большое кол-во кислорода; за последние 25 лет масса углекислого газа увеличилась на 345 млрд. тонн.