Номер 1, страница 221 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Почему паровые машины вытеснены двигателями внутреннего сгорания?

1. Паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания (ДВС) по ряду ключевых причин, связанных с эффективностью, компактностью, удобством эксплуатации и другими технико-экономическими показателями. Несмотря на то что паровые двигатели сыграли решающую роль в промышленной революции, ДВС предложили более совершенные решения для многих задач, особенно в области транспорта.

Первая и главная причина — более высокая эффективность. Коэффициент полезного действия (КПД) у ДВС значительно выше. У паровых машин, являющихся двигателями внешнего сгорания, значительная часть энергии теряется при передаче тепла от топки к котлу, в паропроводах и при конденсации пара. КПД паровозов, например, редко превышал 8–10%. В то же время, КПД ранних бензиновых ДВС составлял около 20%, а у современных дизельных двигателей он может достигать 40–50%. Теоретический максимальный КПД теплового двигателя описывается циклом Карно и зависит от температуры нагревателя ($T_{нагр}$) и холодильника ($T_{хол}$): $\eta_{max} = 1 - \frac{T_{хол}}{T_{нагр}}$. В ДВС сгорание топлива происходит непосредственно в рабочем цилиндре, что позволяет достичь гораздо более высоких температур ($T_{нагр}$), чем в котле паровой машины, и, следовательно, получить более высокий КПД.

Второе важное преимущество ДВС — компактность и малый вес. Паровая установка — это громоздкая и тяжелая система, включающая топку, котел, конденсатор, а также требующая больших запасов воды и топлива (угля, дров). Двигатель внутреннего сгорания объединяет все процессы в одном блоке. Это приводит к значительно более высокой удельной мощности (отношению мощности к массе). Именно это преимущество сделало ДВС незаменимым для легковых автомобилей, мотоциклов и, что особенно важно, для авиации, где вес и размер имеют критическое значение.

Третий фактор — быстрота запуска. Для начала работы паровой машины требуется длительное время. Необходимо разжечь топку, довести воду в котле до кипения и создать необходимое давление пара. Этот процесс мог занимать от десятков минут до нескольких часов. Двигатель внутреннего сгорания, напротив, готов к работе практически мгновенно.

Четвертая причина — автономность и удобство логистики. ДВС используют жидкое топливо (бензин, дизель), которое обладает очень высокой плотностью энергии. Это позволяет транспортным средствам преодолевать большие расстояния на одной заправке. Сам процесс заправки быстр и прост. Паровым машинам требовались большие объемы не только твердого топлива, но и воды, что ограничивало их автономность и требовало создания сложной инфраструктуры для пополнения запасов (угольные склады, водонапорные башни).

Наконец, простота эксплуатации. Управление паровой машиной требовало высокой квалификации и постоянного внимания со стороны машиниста и его помощника (кочегара), которые должны были следить за давлением, уровнем воды и подачей топлива. Двигатели внутреннего сгорания со временем становились все более автоматизированными и простыми в управлении для обычного пользователя.

Ответ:
Паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания (ДВС) из-за превосходства последних по ряду ключевых параметров:
1. Более высокий коэффициент полезного действия (КПД): у ДВС он составляет 20–50% против 8–10% у паровых машин.
2. Компактность и малый вес: ДВС имеют значительно более высокую удельную мощность (мощность на единицу массы).
3. Быстрота запуска: ДВС готов к работе почти мгновенно, в то время как паровой машине требуется длительный разогрев.
4. Удобство и автономность: ДВС работают на энергоемком жидком топливе, что обеспечивает больший запас хода и быструю заправку.
5. Простота в эксплуатации и обслуживании по сравнению со сложными паровыми установками, требующими квалифицированного персонала.