Влажность воздуха. Тепловые двигатели

Зачем это нужно

В воздухе всегда есть водяной пар. Его количество влияет на самочувствие (в сухом воздухе пересыхает горло, во влажной жаре трудно дышать), сохранность книг и картин в музеях, работу электроники, прогноз туманов и заморозков. А тепловые двигатели — машины, превращающие энергию топлива в механическую работу, — двигают автомобили, корабли, самолёты и вырабатывают большую часть электроэнергии. Понимать их устройство и КПД важно и для техники, и для экологии.

Насыщенный и ненасыщенный пар

Если над жидкостью в закрытом сосуде испарение и конденсация уравновешивают друг друга, пар называют насыщенным: больше пара в этом объёме при данной температуре «не помещается». Если пар может принять ещё молекул — он ненасыщенный. Чем выше температура, тем больше водяного пара может содержаться в воздухе.

Влажность воздуха

Абсолютная влажность $\rho$ — масса водяного пара в 1 м³ воздуха (обычно в г/м³).

Относительная влажность $\varphi$ показывает, насколько пар близок к насыщению:

$\varphi = \frac{\rho}{\rho_0} \cdot 100\,\%,$

где $\rho_0$ — плотность насыщенного пара при той же температуре (берётся из таблицы).

Точка росы — температура, при охлаждении до которой пар становится насыщенным и начинает конденсироваться. Так образуются роса, туман, иней, запотевают очки при входе с мороза.

Комфортная относительная влажность для человека — 40–60 %.

Приборы: гигрометр (волосной — волос удлиняется во влажном воздухе) и психрометр — два термометра, у одного резервуар обёрнут влажной тканью. Чем суше воздух, тем сильнее испарение и тем ниже показывает «влажный» термометр. По разности показаний находят $\varphi$ по психрометрической таблице.

Разобранный пример 1

При 20 °C абсолютная влажность 8,65 г/м³. Найдите относительную влажность.

$\varphi = \frac{8{,}65}{17{,}3} \cdot 100\,\% = 50\,\%$.

Работа газа и тепловые двигатели

Нагретый газ, расширяясь, может совершать работу: выталкивать пробку из пробирки, двигать поршень, вращать лопатки турбины. При этом часть его внутренней энергии превращается в механическую.

Тепловой двигатель — машина, в которой внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. Любой тепловой двигатель имеет нагреватель (сгорающее топливо), рабочее тело (газ или пар) и холодильник (окружающий воздух), которому отдаётся часть теплоты.

Двигатель внутреннего сгорания

В четырёхтактном ДВС топливо сгорает прямо в цилиндре. Цикл состоит из четырёх тактов:

1. Впуск — поршень идёт вниз, через впускной клапан входит горючая смесь.
2. Сжатие — клапаны закрыты, поршень сжимает смесь, она нагревается.
3. Рабочий ход — свеча даёт искру, смесь сгорает, горячие газы толкают поршень вниз. Только в этом такте совершается полезная работа.
4. Выпуск — поршень выталкивает отработавшие газы через выпускной клапан.

Паровая турбина: пар под большим давлением вырывается из сопел и вращает лопатки колеса. Турбины стоят на тепловых и атомных электростанциях.

КПД теплового двигателя

Коэффициент полезного действия — отношение полезной работы к энергии, полученной от нагревателя:

$\eta = \frac{A_{\text{п}}}{Q} \cdot 100\,\%, \qquad Q = qm.$

КПД любого теплового двигателя меньше 100 %: часть энергии обязательно уходит в холодильник. Типичные значения: паровоз — 8 %, бензиновый ДВС — 25–30 %, дизель — до 40 %, паровая турбина — до 40 %.

Разобранный пример 2

Двигатель совершил работу 23 МДж, израсходовав 2 кг бензина ($q = 46$ МДж/кг). Найдите КПД.

1. $Q = 46 \cdot 2 = 92$ МДж.
2. $\eta = 23 : 92 \cdot 100\,\% = 25\,\%$.

Тепловые двигатели и экология

Сжигание топлива загрязняет воздух оксидами азота, угарным газом, сажей и увеличивает концентрацию углекислого газа, усиливающего парниковый эффект. Пути решения: повышение КПД двигателей, фильтры и катализаторы, электромобили, развитие гидро-, ветро- и солнечной энергетики.

История вопроса

Первую паровую машину, приводившую в действие заводские механизмы, построил в 1763–1766 годах на Алтае русский механик Иван Ползунов. Широкое распространение получила паровая машина англичанина Джеймса Уатта (1784). Первый практичный двигатель внутреннего сгорания создал Николаус Отто в 1876 году, а Рудольф Дизель в 1897 году — двигатель, в котором топливо воспламеняется от сильного сжатия, без свечи.

Типичные ошибки

• Путать абсолютную и относительную влажность.
• Брать $\rho_0$ не для той температуры.
• Считать, что работа совершается во всех четырёх тактах ДВС.
• Получать КПД больше 100 % — значит, перепутаны работа и энергия топлива.
• Думать, что при охлаждении воздуха относительная влажность уменьшается — она растёт (вплоть до точки росы).

Что дальше

• Насыщенный пар. Влажность. Поверхностное натяжение — насыщенный пар, влажность и поверхностное натяжение в 10 классе.