Номер 8, страница 221 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

8. По какому циклу работает газовая турбина?

7. Где применяют газовые турбины?
Газовые турбины имеют очень широкую область применения благодаря своим характеристикам, в первую очередь, высокой удельной мощности и компактности. Основные сферы применения:
- Энергетика: в качестве привода электрогенераторов на газотурбинных электростанциях (ГТЭС) и, что особенно эффективно, в составе парогазовых установок (ПГУ). ГТУ также широко применяются как пиковые и резервные источники энергии из-за их способности к быстрому запуску.
- Авиация: это главная область их использования. Газотурбинные двигатели в различных модификациях (турбореактивные, турбовентиляторные, турбовинтовые, турбовальные) являются основой силовых установок подавляющего большинства современных самолетов и вертолетов.
- Транспорт газа и нефти: в качестве механического привода для нагнетателей (компрессоров) на газоперекачивающих станциях магистральных газопроводов и для насосов на нефтеперекачивающих станциях.
- Морской флот: применяются на военных кораблях для достижения высоких скоростей и на некоторых типах скоростных гражданских судов (например, на паромах и судах на подводных крыльях).
- Наземный транспорт: реже, но используются в силовых установках некоторых моделей танков (например, M1 Abrams) и в экспериментальных или гоночных автомобилях.

Ответ: Газовые турбины применяют в энергетике для выработки электроэнергии, в авиации в качестве двигателей, на трубопроводном транспорте для перекачки газа и нефти, а также на морском и наземном транспорте.

8. По какому циклу работает газовая турбина?
Газовая турбина работает по термодинамическому циклу, который в идеальном представлении описывается циклом Брайтона (также известным как цикл Джоуля). Этот цикл состоит из четырех последовательных процессов:
1. Адиабатное (изэнтропийное) сжатие: рабочее тело (воздух) засасывается в компрессор, где его давление и температура повышаются. В идеальном процессе энтропия не изменяется.
2. Изобарный подвод тепла: сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где сжигается топливо. Теплота к рабочему телу подводится при постоянном давлении, что приводит к резкому росту его температуры.
3. Адиабатное (изэнтропийное) расширение: горячий газ высокого давления расширяется в турбине, совершая работу. Часть этой работы расходуется на привод компрессора, а остаток является полезной работой установки.
4. Изобарный отвод тепла: после турбины отработавшие газы сбрасываются в окружающую среду (в открытом цикле) или охлаждаются в теплообменнике (в замкнутом цикле), отдавая тепло при постоянном давлении.
Термический КПД идеального цикла Брайтона выражается формулой: $ \eta = 1 - \frac{1}{\pi^{(k-1)/k}} $, где $ \pi $ — степень повышения давления в компрессоре, а $\text{k}$ — показатель адиабаты рабочего тела.

Ответ: Газовая турбина работает по термодинамическому циклу Брайтона.

9. Какими преимуществами обладает газовая турбина по сравнению с паровым двигателем?
По сравнению с паросиловыми установками (которые используют паровые турбины или поршневые паровые машины), газовая турбина обладает рядом важных преимуществ:
- Высокая удельная мощность: газовые турбины значительно легче и компактнее паровых установок аналогичной мощности. Это критически важное преимущество для авиации и транспорта.
- Быстрый запуск: газотурбинную установку можно запустить и вывести на полную мощность за 5–15 минут, в то время как для прогрева и запуска крупной паровой установки требуются часы. Это делает их идеальными для покрытия пиковых нагрузок в энергосистеме.
- Меньшие капитальные затраты: конструкция ГТУ проще, в ней отсутствуют такие громоздкие элементы, как паровой котел и конденсатор, что снижает стоимость и сроки строительства электростанции.
- Независимость от водных ресурсов: в отличие от паровых циклов, требующих огромного количества воды для конденсации пара, газовые турбины в открытом цикле практически не потребляют воду, что расширяет географию их размещения.
- Простота в эксплуатации: ГТУ имеют меньше движущихся частей (по сравнению с поршневыми двигателями) и проще в автоматизации и обслуживании, чем комплексные паросиловые установки.

Ответ: Основные преимущества газовой турбины по сравнению с паровым двигателем – это компактность и малый вес (высокая удельная мощность), быстрый запуск, меньшие капитальные вложения и отсутствие необходимости в большом количестве воды для работы.