Номер 4, страница 251 - гдз по физике 10 класс учебник Хижнякова, Синявина

Молекулярная физика. Глава 9. Основы термодинамики. Параграф 45. Виды тепловых двигателей. Экологические проблемы использования тепловых двигателей. Вопросы - номер 4, страница 251.

Условие.

4. Сравните КПД:

а) паровой машины;

б) паровой турбины;

в) карбюраторного двигателя;

г) дизельного двигателя.

Решение.

Решение

Для сравнения коэффициента полезного действия (КПД) различных двигателей необходимо рассмотреть принципы их работы и типичные значения эффективности. КПД ($\eta$) — это отношение полезной работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от сгорания топлива: $\eta = \frac{A_{полезная}}{Q_{нагревателя}}$.

а) паровая машина

Паровая машина является двигателем внешнего сгорания. Процесс преобразования энергии в ней связан со значительными тепловыми потерями, поскольку рабочее тело (пар) имеет относительно невысокие температуру и давление. Вследствие этого КПД паровых машин исторически был очень низким. У ранних моделей он едва достигал нескольких процентов, у более совершенных — до 15%.

б) паровая турбина

Паровая турбина, как и паровая машина, — двигатель внешнего сгорания, однако она значительно эффективнее. В современных турбинах используется пар очень высокой температуры (до 600 °C) и давления (до 24 МПа), что позволяет достичь высокого КПД. Они являются основой тепловых и атомных электростанций. Их КПД обычно составляет 25–45%.

в) карбюраторный двигатель

Карбюраторный (бензиновый) двигатель — это двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Сгорание топлива непосредственно в цилиндрах позволяет достичь более высоких рабочих температур по сравнению с паровой машиной. Эффективность ограничена степенью сжатия топливовоздушной смеси. Типичный КПД для карбюраторных двигателей находится в диапазоне 20–30%.

г) дизельный двигатель

Дизельный двигатель — также двигатель внутреннего сгорания. Его главное преимущество — очень высокая степень сжатия воздуха в цилиндрах, из-за чего он сильно нагревается, и впрыснутое топливо самовоспламеняется. Высокая степень сжатия обеспечивает более полное сгорание топлива и более эффективное преобразование тепловой энергии в работу. Дизельные двигатели — одни из самых эффективных тепловых двигателей. Их КПД составляет 35–50%, а у крупных низкооборотных судовых дизелей может превышать 50%.

Сводя воедино эти данные, можно расположить двигатели по возрастанию их коэффициента полезного действия:
Паровая машина ($\approx$ 8–15%) < Карбюраторный двигатель ($\approx$ 20–30%) < Паровая турбина ($\approx$ 25–45%) < Дизельный двигатель ($\approx$ 35–50%).
Таким образом, наименьшим КПД обладает паровая машина, а наибольшим — дизельный двигатель.

Ответ: Если расположить двигатели в порядке возрастания их КПД, получится следующая последовательность: паровая машина, карбюраторный двигатель, паровая турбина, дизельный двигатель.