Страница 87 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Какие превращения энергии происходят в паровой турбине?

1. Какие превращения энергии происходят в паровой турбине?

Решение:

Паровая турбина — это тепловой двигатель, в котором происходит преобразование энергии водяного пара в механическую работу. Процесс преобразования энергии можно разбить на несколько ключевых этапов.

Сначала в турбину поступает водяной пар, находящийся под высоким давлением и имеющий высокую температуру. Этот пар обладает большим запасом внутренней энергии (также называемой тепловой энергией или энтальпией).

Внутри турбины пар проходит через специальные каналы — сопла. В соплах происходит расширение пара, в результате чего его давление и температура падают. Согласно закону сохранения энергии, уменьшение внутренней энергии пара приводит к увеличению его кинетической энергии. Таким образом, происходит первое преобразование энергии: внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию движущейся с большой скоростью струи пара.

Далее, высокоскоростная струя пара направляется на лопатки, закрепленные на дисках ротора турбины. Ударяясь о лопатки, пар передает им свою кинетическую энергию, заставляя ротор вращаться. Происходит второе преобразование энергии: кинетическая энергия струи пара превращается в механическую энергию вращения ротора турбины.

Таким образом, в паровой турбине происходит следующая цепь превращений энергии:

Внутренняя энергия пара → Кинетическая энергия пара → Механическая энергия вращения турбины.

Эта механическая энергия вращения вала турбины затем обычно используется для привода электрогенератора, где она преобразуется в электрическую энергию, но это преобразование происходит уже вне самой турбины.

Ответ: В паровой турбине внутренняя (тепловая) энергия сжатого и нагретого пара сначала преобразуется в кинетическую энергию струи пара, а затем эта кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины.

2. В чём различие в устройстве турбин и поршневых машин?

Основное различие между турбинами и поршневыми машинами заключается в принципе преобразования энергии в механическую работу и, соответственно, в их конструктивном исполнении. Эти два типа двигателей используют разные физические процессы и имеют принципиально разное устройство.

Поршневая машина (например, двигатель внутреннего сгорания или паровая машина)

В поршневой машине энергия расширяющегося рабочего тела (горячего газа, пара) преобразуется в механическую работу через возвратно-поступательное движение поршня. Это движение затем с помощью специального механизма трансформируется во вращательное движение выходного вала.

• Принцип действия: Рабочий процесс является циклическим и прерывистым. Он состоит из нескольких последовательных тактов (например, для ДВС: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск). Полезная работа совершается только во время такта рабочего хода, то есть энергия передается импульсами.
• Ключевые элементы устройства:
  • Цилиндр и поршень: Поршень движется внутри цилиндра, воспринимая давление рабочего тела.
  • Кривошипно-шатунный механизм (КШМ): Состоит из шатуна и коленчатого вала. КШМ преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.
• Характер движения: Основной рабочий орган (поршень) совершает сложное возвратно-поступательное движение.

Турбина (например, паровая, газовая или гидравлическая)

В турбине потенциальная и кинетическая энергия непрерывного потока рабочего тела (пара, газа, воды) преобразуется непосредственно во вращательное движение ротора, который и является выходным валом.

• Принцип действия: Рабочий процесс является непрерывным. Поток рабочего тела постоянно воздействует на лопатки, закрепленные на роторе, заставляя его вращаться плавно и без пауз. Здесь нет отдельных тактов.
• Ключевые элементы устройства:
  • Ротор: Вращающаяся часть турбины, представляющая собой вал с дисками, на которых закреплены рабочие лопатки специального профиля.
  • Статор: Неподвижная часть, состоящая из корпуса и направляющих аппаратов (сопел), которые формируют и направляют поток рабочего тела на лопатки ротора под нужным углом и с необходимой скоростью.
• Характер движения: Основной рабочий орган (ротор) изначально совершает только вращательное движение.

Таким образом, если обобщить, главное различие в устройстве заключается в способе преобразования энергии в полезную работу:

• Поршневая машина использует прерывистое давление на поршень и сложный механизм для преобразования его возвратно-поступательного движения во вращение.
• Турбина использует непрерывное воздействие потока на лопатки для создания непосредственного вращательного движения ротора.

Ответ: Основное различие в устройстве турбин и поршневых машин состоит в их рабочих органах и принципе действия. В поршневой машине рабочим органом является поршень, совершающий возвратно-поступательное движение в цилиндре, которое затем преобразуется во вращение вала с помощью кривошипно-шатунного механизма; рабочий процесс при этом циклический. В турбине рабочим органом является ротор с лопатками, который сразу приводится во вращение непрерывным потоком рабочего тела (газа, пара или воды), воздействующим на эти лопатки. Таким образом, турбина напрямую преобразует энергию потока во вращение, минуя стадию возвратно-поступательного движения.

3. Из каких частей состоит паровая турбина и как она работает?

2. Основное различие между турбинами и поршневыми машинами заключается в принципе преобразования энергии рабочего тела (пара, газа) в механическую работу и, как следствие, в конструкции их основных рабочих органов. В поршневой машине энергия газа или пара совершает работу за счет давления на поршень, который совершает возвратно-поступательное движение внутри цилиндра. Это движение затем преобразуется во вращательное с помощью кривошипно-шатунного механизма. Процесс носит циклический, прерывистый характер. В турбине же энергия непрерывного потока рабочего тела напрямую преобразуется во вращательное движение ротора. Поток воздействует на лопатки, закрепленные на роторе, заставляя его вращаться. Движение здесь чисто вращательное и непрерывное. Это приводит к ключевым конструктивным отличиям: поршневые машины требуют сложного механизма для преобразования движения, в то время как турбины имеют более простой ротор. Как следствие, турбины могут достигать значительно более высоких скоростей вращения, развивать большую мощность, они более компактны и уравновешены.

Ответ: Ключевое различие состоит в том, что поршневая машина использует возвратно-поступательное движение поршня для преобразования энергии, а турбина — непосредственное вращательное движение ротора под действием потока рабочего тела. Это определяет различия в их конструкции, характере работы (прерывистый против непрерывного) и основных эксплуатационных характеристиках.

3. Паровая турбина состоит из нескольких ключевых частей и работает по принципу преобразования тепловой энергии пара в механическую работу вращения. Основные части турбины: 1) корпус — прочная внешняя оболочка; 2) ротор — вращающийся вал с дисками, на которых закреплены рабочие лопатки; 3) статор — неподвижная часть, включающая сопловые (направляющие) лопатки, которые формируют каналы (сопла) для разгона пара. Совокупность одного ряда сопловых и одного ряда рабочих лопаток называется ступенью турбины. Также в конструкцию входят подшипники и система уплотнений.

Принцип работы следующий: пар высокой температуры и давления, произведенный в котле, подается в турбину. Он проходит через сопла статора, где расширяется, в результате чего его давление падает, а скорость потока резко возрастает (тепловая энергия преобразуется в кинетическую). Затем высокоскоростной поток пара воздействует на рабочие лопатки, закрепленные на роторе, передавая им свою энергию и заставляя ротор вращаться. Вращение ротора через вал передается, как правило, электрогенератору. Отработавший пар низкого давления направляется в конденсатор, где превращается в воду для нового цикла.

Ответ: Паровая турбина состоит из статора (с соплами) и ротора (с рабочими лопатками). Её работа основана на преобразовании тепловой энергии пара в кинетическую энергию в соплах, которая затем преобразуется в механическую работу вращения ротора при воздействии потока пара на его лопатки.