Творческое задание, страница 97 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Подготовьте сообщение с ppt - презентацией по темам (на выбор):

1. «Из истории тепловых двигателей».

2. «Двигатель Стирлинга».

3. «Газовые турбины и реактивные двигатели».

4. «Реактивное движение морских животных: медузы, кальмара, осьминога».

2. «Двигатель Стирлинга»

Двигатель Стирлинга — это тепловой двигатель с внешним подводом тепла, изобретенный в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. Его основной целью было создание безопасной альтернативы паровым машинам того времени, которые часто взрывались из-за высокого давления пара и несовершенства материалов. Двигатель Стирлинга работает по замкнутому термодинамическому циклу и может использовать любой источник тепла.

Принцип работы и термодинамический цикл

В основе работы двигателя лежит цикл Стирлинга, который в идеальном варианте состоит из четырех процессов, совершаемых с постоянным количеством рабочего тела (газа, например, воздуха, гелия или водорода) в замкнутом объеме:

1. Изотермическое расширение. Рабочее тело находится в контакте с горячим источником (нагревателем) и, получая от него теплоту $Q_H$, расширяется при постоянной высокой температуре $T_H$. При этом газ совершает работу.

2. Изохорное охлаждение. Газ перемещается из горячей полости в холодную через регенератор — тепловой аккумулятор (например, металлическую сетку). При этом объем газа остается постоянным, а его температура понижается до $T_C$. Тепло, отдаваемое газом, накапливается в регенераторе.

3. Изотермическое сжатие. Рабочее тело контактирует с холодным источником (холодильником) и сжимается при постоянной низкой температуре $T_C$. Над газом совершается работа, а избыточная теплота $Q_C$ отводится в окружающую среду.

4. Изохорное нагревание. Газ перемещается обратно из холодной полости в горячую через регенератор. Объем газа постоянен, а его температура повышается до $T_H$ за счет тепла, ранее запасенного в регенераторе.

Ключевым элементом, повышающим эффективность двигателя, является регенератор. Он сохраняет тепло, которое в противном случае было бы потеряно, и возвращает его рабочему телу на другом этапе цикла. Теоретический КПД идеального двигателя Стирлинга равен КПД идеального цикла Карно и определяется только температурами нагревателя ($T_H$) и холодильника ($T_C$):

$\eta_{теор} = 1 - \frac{T_C}{T_H}$

Типы двигателей Стирлинга

Существует три основные конфигурации двигателей Стирлинга:

• Альфа-Стирлинг: имеет два отдельных поршня в двух отдельных цилиндрах — горячем и холодном. Рабочее тело перемещается между этими двумя цилиндрами. Эта конфигурация позволяет достичь высокой удельной мощности.

• Бета-Стирлинг: использует один цилиндр, в котором находятся два поршня: рабочий поршень и поршень-вытеснитель. Вытеснитель перемещает газ между горячим и холодным концами цилиндра, а рабочий поршень совершает полезную работу.

• Гамма-Стирлинг: похож на бета-конфигурацию, но рабочий поршень находится в отдельном, соединенном с основным, цилиндре. Эта конструкция проще с механической точки зрения, но имеет больший «мертвый» объем, что несколько снижает эффективность по сравнению с бета-типом.

Преимущества

• Высокий КПД: Практические реализации достигают КПД 30-40%, что является одним из лучших показателей среди всех тепловых двигателей.

• Многотопливность: Двигатель может работать от любого источника тепла достаточной температуры — от сжигания дров или биогаза до солнечной или геотермальной энергии.

• Экологичность: Внешнее непрерывное сгорание позволяет сжигать топливо более полно и при более низких температурах, что ведет к значительному снижению вредных выбросов (NOx, CO).

• Тихая работа: Отсутствие клапанов и взрывных процессов сгорания делает работу двигателя очень тихой и с низким уровнем вибраций.

• Долговечность: Благодаря плавному процессу и меньшему количеству движущихся частей, двигатели Стирлинга могут иметь очень большой ресурс.

Недостатки

• Высокая стоимость: Для горячей части требуются жаропрочные и дорогие материалы. Эффективные теплообменники (нагреватель и охладитель) сложны в изготовлении и дороги.

• Сложности с уплотнением: Для достижения максимальной эффективности в качестве рабочего тела используют легкие газы (водород, гелий), которые склонны к утечкам, что требует сложных систем уплотнения.

• Инерционность: Двигатель не может быстро изменять свою мощность, так как для этого требуется изменить температуру массивных теплообменников.

• Большие габариты: Удельная мощность (мощность на единицу массы или объема) у двигателей Стирлинга, как правило, ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания.

Применение

Несмотря на недостатки, двигатели Стирлинга находят применение в различных областях:

• Энергетика: в солнечных электростанциях тарельчатого типа, где зеркало концентрирует солнечные лучи на нагревателе двигателя, и в когенерационных установках для одновременного производства тепла и электроэнергии.

• Подводные лодки: в качестве воздухонезависимых энергетических установок, позволяющих неатомным подводным лодкам находиться под водой неделями (например, на шведских лодках класса «Готланд»).

• Криогенная техника: обращенный цикл Стирлинга используется для создания холодильных машин (криокулеров), способных достигать очень низких температур для охлаждения электроники и в научных исследованиях.

• Космос: рассматриваются в качестве перспективных радиоизотопных генераторов энергии (Stirling Radioisotope Generator), обладающих значительно более высоким КПД, чем традиционные термоэлектрические генераторы.

Ответ: Представлен развернутый материал для подготовки сообщения и презентации на тему «Двигатель Стирлинга», включающий историю создания, принцип действия, описание видов, преимуществ, недостатков и областей применения данного двигателя.