2. ЭНЕРГИЯ
Паровая машина работает за счет энергии водяного пара. Энергия — это способность тела произвести работу. Водяной пар может произвести самую разнообразную работу, например приводить в движение паровоз, пароход, паровую турбину, паровой молот, водяной насос и другие машины. Работа — это величина, измеряющая количество энергии, превратившейся в данном процессе из одного вида в другой. Изменение энергии определяется той работой, которую надо совершить, чтобы вызвать это изменение. Поэтому мерой энергии служит та же единица, как и для измерения работы, т. е. килограммометр. О том, как измеряется работа, будет сказано ниже.
Энергия, точно так же, как и вещество, обладает замечательным свойством: она не исчезает и не создается вновь, а только переходит из одного вида в другой. В природе энергия встречается в различных видах: химическая, тепловая, механическая, электрическая, световая энергия.
Все виды энергии делятся на два класса — потенциальная энергия (энергия покоя) и кинетическая энергия (энергия движения). Водяной пар, находящийся в котле, не производит работы, но он при известных условиях может произвести ее, в этом случае о паре говорят, что он обладает потенциальной энергией. Тот же пар, выходя из сопла [1]) струей, обладает энергией движения, или кинетической энергией, и, попадая на лопатки, укрепленные по окружности колеса, заставляет его вращаться. В быту мы постоянно встречаемся с превращением энергии. В топках паровых котлов на электростанции при сжигании топлива его скрытая химическая энергия переходит в тепловую энергию продуктов горения, которые, нагревая воду, превращают ее в пар. Далее тепловая энергия пара в турбине превращается в механическую энергию, необходимую для вращения электрогенератора, в котором механическая энергия превращается в электрическую. А на заводах электроэнергия посредством электродвигателей снова превращается в механическую энергию, которая приводит в движение станки. В электропечах электроэнергия превращается в тепловую, в осветительных приборах — в световую и т. д.
Однако, превращая энергию из одного вида в другой, полностью ее использовать не удается — часть энергии расходуется не по назначению, бесполезно. Например, в машинных отделениях жарко, хотя их обычно не отапливают. Откуда же берется тепло? Оказывается, что в паротурбинной установке в механическую энергию, т. е. по назначению, превращается только часть тепловой энергии, около трети всей затраченной. Остальная часть тепловой энергии уходит с отработавшим горячим паром, расходуется на преодоление трения вала в подшипниках машины и на нагрев воздуха в машинном отделении. Эти расходы тепловой энергии называются «потерями».
Все машины обладают потерями: одни большими, другие— меньшими. Поэтому машины различают не только по конструкции и характеру превращения энергии, но и по величине коэффициента полезного действия, т. е. по отношению полезно расходуемой энергии ко всей затраченной. Коэффициент полезного действия выражается в процентах, и, чем он выше, тем большая часть затраченной энергии используется полезно. Так, для паросиловых машин (паровоз, локомобиль и др.) коэффициент полезного действия равен 7—20%, для двигателей внутреннего сгорания (автомобильный, мотоциклетный двигатели и др.) —25—35%, а для водяной турбины — около 75%.
3. ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ
Водяной пар получается за счет тепловой энергии. Следовательно, чтобы получить водяной пар, надо любой вид энергии, имеющийся в нашем распоряжении, превратить в тепловую энергию, с помощью которой можно испарить воду.
В промышленности и быту источником тепловой энергии чаще - всего служит топливо (дрова, нефть, уголь). При горении топлива его составные части (углерод, водород, сера и др.) соединяются с кислородом воздуха; этот процесс сопровождается выделением теплоты; образующиеся газообразные продукты горения нагреваются до высокой температуры, передают свое тепло воде и испаряют ее. В атомной промышленности тепловую энергию получают за счет разложения («горения») радиоактивных химических элементов (урана, тория, плутония).
Известно, что при нагревании все тела расширяются, а при охлаждении сжимаются. Твердые тела расширяются и сжимаются очень мало, так как изменению размеров препятствует прочная связь их молекул. Жидкости расширяются и сжимаются при нагревании в большей степени. Газообразные тела, в том числе водяной пар, расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении в наибольшей степени. Исключением является вода — наименьший объем она имеет при —4° С; при дальнейшем охлаждении вода расширяется. Вот почему любой закрытый сосуд лопается, когда в нем замерзает вода.
Свойство тел расширяться или сжиматься в зависимости от температуры используется в практике, в частности и в паровой машине.
Сколько же требуется теплоты для того, чтобы нагреть и испарить воду? За единицу измерения тепла принята калория; в технике чаще пользуются в тысячу раз большей единицей — килокалорией. Килокалория — это количество теплоты, которое необходимо для того, чтобы нагреть 1 килограмм воды на 1° С. Например, для того чтобы нагреть 2000 килограммов воды с 20° С до 90° С, необходимо затратить 2000- (90 — 20) = 140 000 килокалорий (сокращенно — ккал).
