Пристрій для демонстрації перетворення теплової енергії в механічну

Реферат: Пристрій для демонстрації перетворення теплової енергії в механічну, що працює з використанням робочого тіла, яке зазнає двофазового перетворення рідина-пара та містить робочий циліндр, нагрівач, трубопровід, сопло, причому має плавучий корпус та не менше двох водометних сопел, які знаходяться нижче лінії осадки корпусу пристрою, а робоче тіло (вода) зазнає двофазового перетворення рідина - пара - рідина в замкнутому циклі. UA 78031 U (12) UA 78031 U UA 78031 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пристрій належить до демонстраційних моделей, принцип дії яких заснований на теплових процесах. Відомий пристрій для демонстрації роботи водяної пари, що розширюється (Шульга М.С. Методика і техніка демонстраційних дослідів з фізики у 6 і 7 класах. Посібник для вчителів. — К.: Радянська школа, -1977.-192с, СІ 15), який складається з металевої кулі, робочого циліндра з поршнем, нагрівача, паропроводу, з'єднаного з манометром та спірометром, причому верхній кінець паропроводу має металеву пробку з вертикальним отвором. Цей пристрій працює таким чином: у металеву кулю наливають воду, отвір паропроводу закривають, запалюють спиртівку, 5 нагрівають металеву кулю, доводячи в ній тиск пари до 2,02-10 Па, відкривають паропровід пара надходить у робочий циліндр, піднімає поршень, виконуючи роботу. Недоліками даного пристрою є: обмеженість тривалості роботи пристрою часом випаровування води; неможливість продемонструвати замкнутий цикл роботи з тілом, яке зазнає двофазового перетворення; складність конструкції; небезпечність пристрою. Ознаками, спільними з рішенням, що заявляється, є наявність: робочого циліндра; нагрівача; трубопроводу. Найбільш близькою за технічною суттю є модель для демонстрації перетворення теплової енергії в механічну (Хорошавин С.А. Техника и технология демонстрационного эксперимента. Пособие для учителей. - М.: Просвещение, -1978.-174с, С.56), яка містить робочий циліндр, камеру згорання, нагрівач, паропровід, сопло, турбіну. Модель працює таким чином: воду, яка знаходиться в робочому циліндрі, нагрівають до температури кипіння, що призводить до зміни її агрегатного стану з рідини в пару, яка виходить через сопло й обертає турбіну. Недоліками моделі є: обмеженість тривалості роботи пристрою часом випаровування води; неможливість продемонструвати замкнутий цикл роботи тіла рідина - пара - рідина; складність конструкції. Ознаками, спільними з рішенням, що заявляється, є: наявність: робочого циліндра; нагрівача; трубопроводу; сопла; використання робочого тіла, яке зазнає двофазового перетворення рідина - пара. В основу корисної моделі поставлено задачу розробити пристрій для демонстрації перетворення теплової енергії в механічну, який шляхом двофазового перетворення рідинапара-рідина у замкнутому циклі обумовлює вихід струменя води із сопла, що дозволяє приводити в рух діючу модель плавучого корпусу, спростити його конструкцію, підвищити безпечність використання та наочність демонстрування перетворення теплової енергії робочого тіла в кінетичну, підвищити зацікавлення до вивчення фізики. Суттєвими ознаками пристрою є: наявність: плавучого корпусу пристрою; робочого циліндра; нагрівача; водометних сопел (не менше двох), які знаходяться нижче лінії осадки корпусу пристрою; трубопроводу, що з'єднує робочий циліндр з водометним соплом; використання води як робочого тіла, яка зазнає двофазового перетворення рідина-парарідина в замкнутому циклі. Відмінними від прототипу ознаками є: виконання корпусу плавучим; наявність не менше двох водометних сопел, які знаходяться нижче лінії осадки корпусу пристрою; використання двофазового перетворення води в замкнутому циклі рідина - пара рідина. Таке рішення дозволяє: не обмежувати тривалість роботи пристрою часом випаровування води в циліндрі; продемонструвати замкнутий цикл з робочим тілом, що зазнає двофазового перетворення; продемонструвати використання перетворення теплової енергії в механічну в практичних цілях; використовувати будь-яке джерело енергії та різні види палива; 1 UA 78031 U 5 10 спростити конструкцію. На Фіг. 1 зображено схему конструкції запропонованого пристрою. На Фіг. 2 зображено ідеальний цикл розробленого пристрою. Пристрій містить: робочий циліндр - 1; водометні сопла - 2; трубопровід - 3; нагрівач - 4; плавучий корпус пристрою - 5. Пристрій для демонстрації перетворення теплової енергії в механічну працює таким чином. Перед початком роботи робочий циліндр 1 треба заповнити водою. Для цього в одне із водометних сопел 2 наливаємо воду до повного заповнення робочого циліндра та трубопроводу. Для забезпечення замкнутого циклу робочого тіла плавучий корпус пристрою 5 поміщають на воду, при цьому його сопла 2 опиняються під водою. Як нагрівач 4 використовують, наприклад, сухе пальне. У даному пристрої робоче тіло змінює свій агрегатний стан за замкнутим циклом. Принцип роботи пристрою пояснюється графіком його термодинамічного циклу (Фіг. 2). Q(  ) 30 На першій стадії (ділянка 1 → 2) робоче тіло отримує від нагрівача 4 кількість теплоти 12 (знак "+" означає, що робоче тіло отримує тепло). При цьому відбувається фазовий перехід рідина→пара (що завершується у точці 2 циклу), який супроводжується розширенням робочого тіла при сталих температурі Т1 та тиску р1 (р1 > р, де р - атмосферний тиск). Розширення робочого тіла призводить до виходу води із водометних сопел 2, що створює реактивну силу тяги. На другій стадії циклу (ділянка 2→3) робоче тіло (пара) продовжує розширюватися до тих пір, поки його тиск не зрівняється з атмосферним тиском (гідростатичний тиск шару води не враховано). У кінці другої стадії циклу (точка 3) тиск робочого тіла стає рівним атмосферному (р2 = р). При цьому швидкість води у соплі 2 (відносно судна) стає рівною нулю. Протягом другої стадії температура робочого тіла знижується: від максимального значення в циклі значення Т1 (точка 2) до мінімального - Т2 (точка 3). У зв'язку із короткотривалістю другу стадію можна наближено вважати такою, що протікає адіабатно (Q23=О). При такому наближенні можна не враховувати процеси тепловіддачі в навколишнє середовище від робочого тіла у робочому циліндрі 1 та в трубопроводі 3. Подальше охолодження за рахунок віддачі тепла робочим тілом призводить до стиснення робочого тіла силою атмосферного тиску (третя стадія). Це стискання супроводжується 35 12 фазовим переходом пара→рідина, при цьому відбувається віддача теплоти виділяється при конденсації пари, що характеризує зміну агрегатного стану робочого тіла. На початку четвертої стадії циклу (точка 4) робоче тіло знаходиться в рідкому стані температурі Т2 і при атмосферному тиску р. Протягом четвертої стадії робоче розширюється та нагрівається до температури Т1 до тиску р1. Протягом цієї стадії робоче 15 20 25 Q(  ) яка при тіло тіло Q(  ) 40 45 50 55 отримує від нагрівача 4 кількість теплоти 41 . Таким чином, цикл завершується, а всі процеси знову повторюються. Приклад конкретного виконання. Пристрій для демонстрації перетворення теплової енергії в механічну складається з: плавучого корпусу пристрою, виконаного у вигляді судна зі сталі товщиною 0,0005м. мідного трубопроводу, з'єднаному з робочим циліндром та водометними соплами; -6 3 робочого циліндра об'ємом 2,4·10 м , виконаного зі сталевих листів товщиною 0,0002м; нагрівача, в якому енергія згорання сухого пального забезпечує нагрівання робочого тіла в циліндрі; двох сопел, виконаних із мідних труб із внутрішнім діаметром 0,003м. Такий пристрій може розвивати потужність  1 Вт. Запропонований пристрій дозволяє використовувати його як наочний демонстраційний пристрій для навчального фізичного експерименту, що підвищує зацікавлення до вивчення навчального матеріалу з фізики. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Пристрій для демонстрації перетворення теплової енергії в механічну, що працює з використанням робочого тіла, яке зазнає двофазового перетворення рідина-пара та містить робочий циліндр, нагрівач, трубопровід, сопло, який відрізняється тим, що має плавучий корпус та не менше двох водометних сопел, які знаходяться нижче лінії осадки корпусу пристрою, а робоче тіло (вода) зазнає двофазового перетворення рідина - пара - рідина в замкнутому циклі. 2 UA 78031 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП ―Український інститут промислової власності‖, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3