Номер 3, страница 147, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 3. Тепловые двигатели. Параграф 37. Исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 3, страница 147.

Условие.

• Паровые машины. От древности до наших дней.

Решение.

Паровая машина — это тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу. История паровых машин охватывает более двух тысячелетий, от простейших устройств древности до высокотехнологичных турбин, лежащих в основе современной энергетики.

Древность: первые концепции

Первое известное устройство, использующее силу пара, было описано в I веке н.э. греческим математиком и механиком Героном Александрийским. Его изобретение, названное эолипил (или «шар Эола»), представляло собой полый шар, установленный на оси и снабженный двумя Г-образными трубками-соплами, направленными в противоположные стороны. При нагревании воды в котле, соединенном с шаром, пар вырывался из сопел, заставляя шар вращаться за счет реактивной тяги. Эолипил не производил полезной работы и рассматривался скорее как научная диковинка или игрушка, однако он наглядно демонстрировал основной принцип преобразования тепловой энергии пара в механическое движение.

Ответ: В древности были созданы первые прототипы паровых устройств, такие как эолипил Герона, которые демонстрировали сам принцип реактивного движения под действием пара, но не имели практического применения.

Начало промышленного применения (XVII-XVIII века)

Практический интерес к силе пара возродился в XVII веке. Французский физик Дени Папен в 1679 году изобрел «паровой котел» (прообраз скороварки) с предохранительным клапаном, а позже предложил идею парового двигателя с поршнем. Однако первые реально работающие паровые машины были созданы для откачки воды из шахт в Англии.

В 1698 году Томас Севери запатентовал паровой насос «Друг шахтера». Это была машина без поршня, которая работала за счет последовательного нагнетания пара в резервуар для вытеснения воды и последующей конденсации пара для создания вакуума, который всасывал новую порцию воды. Насос был не очень эффективен и опасен из-за высокого давления, но он стал первым коммерчески используемым паровым устройством.

Настоящий прорыв совершил Томас Ньюкомен, создавший в 1712 году свою «атмосферную машину». В ее цилиндр подавался пар низкого давления, который поднимал поршень. Затем в цилиндр впрыскивалась холодная вода, пар конденсировался, создавая разрежение. Под действием атмосферного давления поршень опускался вниз, совершая рабочее движение. Машины Ньюкомена были громоздкими и имели очень низкий КПД (около 0.5%), но они были надежны и эффективно справлялись с осушением шахт, что дало толчок развитию угольной промышленности.

Ответ: В XVII-XVIII веках были созданы первые промышленные паровые машины (насосы Севери и атмосферные двигатели Ньюкомена), которые, несмотря на низкую эффективность, нашли практическое применение для откачки воды из шахт.

Эпоха Джеймса Уатта и Промышленная революция

Шотландский инженер Джеймс Уатт не изобрел паровую машину, но его усовершенствования кардинально изменили ее и превратили в универсальный двигатель, ставший сердцем Промышленной революции. Работая над моделью машины Ньюкомена, Уатт понял, что основной недостаток — это потеря тепла при постоянном охлаждении и нагреве рабочего цилиндра.

Его ключевые изобретения:

• Отдельный конденсатор (1765 г.): Уатт вынес процесс конденсации пара в отдельный резервуар — конденсатор. Это позволило поддерживать цилиндр постоянно горячим, что сократило расход топлива в 3-4 раза и резко повысило КПД.
• Машина двойного действия: Уатт заставил пар поочередно давить на поршень с обеих сторон, что сделало рабочий ход и в прямом, и в обратном направлении. Это обеспечило более плавную и мощную работу.
• Планетарный механизм и кривошипно-шатунный механизм: Эти устройства преобразовывали возвратно-поступательное движение поршня во вращательное, что позволило использовать паровую машину для привода станков, мельниц и другого фабричного оборудования.
• Центробежный регулятор: Автоматическое устройство для поддержания постоянной скорости вращения вала, что было критически важно для работы станков.

Машина Уатта стала первым по-настоящему универсальным двигателем, не зависящим от силы воды или ветра. Это привело к росту фабрик и заводов, развитию металлургии и машиностроения.

Ответ: Джеймс Уатт в конце XVIII века кардинально усовершенствовал паровую машину, введя отдельный конденсатор и механизм преобразования движения, что сделало ее универсальным двигателем и ключевым фактором Промышленной революции.

XIX век: расцвет паровых машин

XIX век стал «золотым веком» пара. Развитие технологий позволило создавать котлы, выдерживающие высокое давление. Паровые машины высокого давления, разработанные Ричардом Тревитиком в Британии и Оливером Эвансом в США, были гораздо компактнее и мощнее машин Уатта. Это открыло дорогу для применения пара на транспорте.

• Паровозы: В 1804 году Тревитик построил первый в мире паровоз. Однако настоящую революцию совершил Джордж Стефенсон. Его паровоз «Ракета» в 1829 году победил в знаменитых Рейнхильских гонках, продемонстрировав надежность и скорость. Началось стремительное строительство железных дорог по всему миру, которые связали страны и континенты.
• Пароходы: В 1807 году Роберт Фултон спустил на воду пароход «Клермонт», который начал регулярные рейсы по реке Гудзон. Пароходы, а позже и океанские пароходы с винтовыми движителями, сделали речное и морское сообщение быстрым и независимым от ветра.
• Паровые турбины: В конце XIX века была сделана еще одна революция. В 1884 году Чарльз Парсонс изобрел паровую турбину — двигатель, где пар вращает не поршень, а ротор с лопатками. Турбины были гораздо эффективнее, компактнее и мощнее поршневых машин, могли развивать огромные скорости вращения. Они быстро нашли применение на электростанциях для вращения генераторов и на военных кораблях.

Ответ: В XIX веке благодаря созданию машин высокого давления паровая тяга произвела революцию на транспорте (паровозы и пароходы), а изобретение паровой турбины в конце века открыло новую эру в энергетике и судостроении.

XX-XXI века: от упадка к современному применению

В первой половине XX века поршневые паровые машины стали стремительно вытесняться более эффективными и удобными двигателями внутреннего сгорания (в автомобилях, тепловозах) и электродвигателями (в промышленности). К середине века классические паровозы и пароходы стали историей.

Однако принцип использования энергии пара не исчез, а перешел на новый уровень благодаря паровым турбинам. Сегодня подавляющее большинство электроэнергии в мире вырабатывается с помощью паротурбинных установок. Принцип их работы основан на цикле Ренкина: вода нагревается до состояния пара высокого давления, который вращает турбину, соединенную с электрогенератором. Затем пар охлаждается в конденсаторе, снова превращается в воду и цикл повторяется.

Источником тепла для получения пара служат:

• Тепловые электростанции (ТЭС): сжигание ископаемого топлива (уголь, газ, мазут).
• Атомные электростанции (АЭС): управляемая ядерная реакция.
• Геотермальные электростанции: использование природного тепла земных недр.
• Солнечные тепловые электростанции: концентрация солнечного света для нагрева теплоносителя.

Таким образом, хотя эпоха паровозов и пароходов прошла, паровая технология в виде турбин остается фундаментальной основой современной глобальной энергетики.

Ответ: В наши дни поршневые паровые машины практически не используются, однако паровая технология продолжает играть ключевую роль в виде паровых турбин, которые являются основой для выработки электроэнергии на тепловых, атомных и других видах электростанций.