Жылу қозғалтқыштар және қоршаған ортаны қорғау

43
Жылу қозғалтқыштар және қоршаған ортаны қорғау.
Жылу  қозғалтқышының  түріне  қарай  отынның  (химиялық,  ядролық 
немесе басқа түрдегі) ішкі энергиясын түрлендіру түрліше өтеді. Кез келген 
жылу қозғалтқышының жұмыс принципін түсіндіру жылу қозғалтқыштары 
туралы белгілі бір политехникалық мәліметтерді қарастыруды талап етеді.
1. Заманауи техникада пайдаланылып жүрген әртүрлі қозғалтқыштардың 
ішінде жылу қозғалтқыштары теңдесіз орын алады. Жер шарында өндірілетін 
энергияның 80–85% солардан алынады.
2. Жылу  қозғалтқыштарының  барлық  басқа  қозғалтқыштардан  іргелі 
айырмашылығы  бар.  Жылу  қозғалтқыштарының  жұмысында  отын 
энергиясының механикалық энергияға қайтымсыз айналуы пайдаланылады. 
Жылулық процестердің қайтымсыздығы термодинамиканың екінші заңының 
көмегімен түсіндіріледі.
3. Үздіксіз  жұмыс  істейтін  барлық  жылу  қозғалтқыштары  циклді 
жұмыс жасайды. Оларда жұмыс жұмыс денесі (әдетте, газ) периодты түрде 
қыздырылған немесе салқындатылған кезде ол бір ретпен сығылады немесе 
ұлғаяды. Жылу циклі — қозғалтқыш жұмысының маңызды сипаттамасы. 
Қазіргі  қозғалтқыштарда  жұмыс  жұмыс  денесінің  сығылу  және  ұлғаю 
процестерінің циклді құрайтын түрлі комбинациялары пайдаланылады.
4.  Түрлі  циклдер  бойынша  қозғалтқыш  жұмысының  үнемділігі  ПӘК 
көмегімен  бағаланады.  Карно  циклі  бойынша  жұмыс  жасайтын  жылу 
қозғалтқыштары үшін ПӘК мынадай қарапайым формуламен өрнектеледі:
η = 
T
T
T
1
2
1
−
. Карно циклі идеал, оны реал, яғни нақты қозғалтқыштарда 
пайдалану  мүмкін  емес.  Алайда,  Карно  формуласы  кез  келген  жылу 
машинасының  ПӘК  арттырудың  жалпы  жолын  көрсетеді:  қыздырғыштың 
температурасын арттырып, суытқыштың температурасын төмендету қажет. 
Кез келген жылу машинасының ПӘК әрқашан 1-ден аз, өйткені, ондағы жылу 
жұмысқа қайтымсыз айналады әрі оны толық айналдыруға тырысу болмайды.
Отынның қазіргі түрлері жанғанда шамамен 2000 K температура береді, бірақ 
қазіргі бар конструкциялық материалдардың бір де біреуі бұндай температурада 
ұзақ уақыт жұмыс жасауға жарамайды. Суытқыштың температурасын абсолют 
нөлге дейін төмендету мүмкін емес, бұл термодинамиканың үшінші заңын 
дәлелдейді. Сондықтан жылу машиналарының көпшілігінің ПӘК 30 – 40% 
аспайды.
Осы айтылғандардан, жылу машиналары — механикалық жұмыс өндіру 
үшін  отынның  ішкі  энергиясын  пайдалану  мүмкіндігін  көрсететін  іргелі 
мысалдардың бірі болып табылатыны шығады. Сондықтан, мектепте физиканы 
оқыту кезінде политехникалық принципті жүзеге асыруда осы мысал арқылы 
оқушыларға  жылу  техникасы  термодинамика  заңдары  негізінде  аталған 
проблеманы  қалай  шешетінін  көрсету  қажет.  Бұл  әдістемелік  міндеттің 
орындалуы  бірқатар  мәселелерді  қарастырумен  байланысты.  Жұмыс  — 
ішкі энергияны өзгерту тәсілдерінің бірі болғандықтан, жұмыс оны өндіру 
жағдайларына қалай тәуелді болатынын айқындау маңызды. Бұл тәуелділікті 
термодинамиканың бірінші заңының көмегімен газдағы түрлі изопроцестер 
үшін  энергетикалық  балансты  қарастыра  отырып,  идеал  газ  мысалында 
талдауға  болады.  Талдау  нәтижесінде  адиабаталық  және  изотермиялық 

44
ïроцестерге сәйкес ішкі энергия мен газға берілген жылу мөлшері толығымен 
оның жұмыс жасауына кететіні айқындалады. Басқа жағдайларда (изохоралық 
және изобаралық) газ, сәйкесінше, не жұмыс жасамайды, не оны жасау үшін 
газға берілген жылу мөлшерінің тек бір бөлігі ғана жұмсалады. Газдың цикл 
ішіндегі жұмысын қарастыру оның сан мәні жағынан 
p – V координаталарда 
бейнеленген циклдің ауданына тең болатынын көрсетеді.
Осы білімдерді пайдалана отырып, мәңгі қозғалтқыш жасау мүмкін емес 
екен  туралы  үздіксіз  жұмыс  жасайтын  жылу  қозғалтқышының  негізгі 
элементтері туралы мәселені талқылауға болады. Термодинамиканың бірінші 
заңы бірінші ретті мәңгі қозғалтқыш жасау мүмкін емес деп тұжырымдайды. 
Дегенмен екінші ретті мәңгі қозғалтқыш жасау бұл заңға қайшы келмейді.
Осыған байланысты жылу қозғалтқышында қыздырғыштан газға берілетін 
жылу мөлшерінің жұмысқа айналуын қарастыру қажет. Егер бұл қозғалтқыш 
периодты түрде жұмыс жасайтын болса, онда қыздырғышпен және жұмыс 
жасайтын механизммен қатар, суытқыштың да болуы тиіс. Қозғалтқыштың 
циклдік жұмысы кезінде жылуды толығымен жұмысқа айналдыру мүмкін 
емес. Міне, осыны В. Томсонның тұжырымдамасындағы термодинамиканың 
екінші заңы дәлелдейді.
Оқулықта  жылу  қозғалтқыштарының  жұмыс  принциптері  негізінен 
жоғарыда баяндалғандарға сәйкес қарастырылған. Сонымен қатар оқушыларға 
жылу қозғалтқыштарының басқа — қозғалтқыштардың периодты түрде жұмыс 
істеуі үшін суытқыштың қажеттігі, мәңгі қозғалтқыш жасаудың мүмкін емес 
екенін  дәлелдеу,  сондай-ақ  жұмыс  денесі  мен  суытқыш  температуралары 
бірдей болған кезде қозғалтқыштың жұмыс істей алмайтын сияқты принципті 
маңызы бар мәселелерді түсіндіру қажет.
“Молекулалық физика. термодинамика” тақырыптары бойынша 
бақылау жұмысы
1-нұсқа
1. Озон О
3
-тің 10
22
 молекуласының массасы неге тең?
 
Жауабы: ò ≈ 0,8 · 10
–3
 кг = 0,8 г.
2. Газды изотермиялық процесте ұлғайтқан кезде оның қысымы неліктен 
азаятынын түсіндіріңдер.
Жауабы: Изотермиялық процесте қысым концентрацияға тура пропорцио-
нал 
(р=пkТ), ал концентрация көлемге кері пропорционал (п = N/V). 
Газ дың көлемін ұлғайтқан кезде концентрация азаяды, демек, қысым да 
азаяды.)
3. 6-суретте идеал газ күйінің өзгеруінің әртүрлі процестері көрсетілген. 
а)  Процестерді  атаңдар;  ә)  процестердің  қайсысында  үлкен  жұмыс 
өндіріледі? Ол неге тең?
Жауабы: (а) аә — изобаралық ұлғаю (қыздыру); аб – изотер мия лық ұлғаю; 
àâ –  изохоралық  салқындау;  ә)  изобаралық  ұлғаю  (қыздыру)  кезінде 
неғұрлым үлкен жұмыс өндіріледі; 
À
аә
 = 1,2 · 10
4
 Дж.