Номер 1, страница 228, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

1. Какие виды тепловых двигателей вы знаете? В чем их преимущества друг перед другом? Каковы их недостатки?

Тепловые двигатели — это устройства, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую работу. Их можно разделить на две большие группы: двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и двигатели внешнего сгорания.

1. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС)

В этих двигателях топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (например, в цилиндре), и образующиеся горячие газы толкают поршень или вращают лопатки турбины.

а) Поршневые ДВС (бензиновые и дизельные)

Это самый распространенный тип двигателей, используемый в большинстве автомобилей.

Преимущества:

• Высокая удельная мощность (отношение мощности к массе и объему), что делает их компактными.
• Относительно высокий коэффициент полезного действия (КПД), особенно у дизельных двигателей (до 50%).
• Быстрый запуск и выход на рабочий режим.
• Хорошо развитая инфраструктура для производства, обслуживания и заправки.

Недостатки:

• Выброс в атмосферу вредных веществ (оксиды углерода, азота, сажа).
• Требовательность к качеству топлива (особенно бензиновые).
• Шум и вибрация из-за возвратно-поступательного движения поршней.
• Сложность конструкции, требующая систем охлаждения, смазки, зажигания (для бензиновых).

Сравнение: Дизельный двигатель экономичнее и имеет больший крутящий момент на низких оборотах, но он тяжелее, дороже и шумнее бензинового. Бензиновый двигатель легче, дешевле и обеспечивает большую мощность при высоких оборотах.

Ответ: Поршневые ДВС доминируют в автомобильном транспорте благодаря своей компактности и эффективности, но их главный недостаток — загрязнение окружающей среды.

б) Газотурбинные двигатели (ГТД)

Используются в авиации (как часть турбовинтовых и турбореактивных двигателей), на электростанциях и в морском транспорте.

Преимущества:

• Очень высокая удельная мощность, что критически важно для авиации.
• Плавность работы и отсутствие вибраций, так как все движение вращательное.
• Высокая надежность из-за меньшего количества движущихся частей по сравнению с поршневыми ДВС.
• Возможность работать на различных видах топлива.

Недостатки:

• Низкий КПД при малых нагрузках и на холостом ходу.
• Высокая стоимость и сложность в производстве из-за использования жаропрочных сплавов.
• Высокий уровень шума.
• Плохая приемистость (медленно меняют обороты).

Ответ: ГТД незаменимы в авиации и большой энергетике благодаря огромной мощности при малом весе, но неэффективны для легкового транспорта.

2. Двигатели внешнего сгорания

В этих двигателях источник тепла находится вне двигателя, а тепло передается рабочему телу (например, воде или газу) через стенку теплообменника.

а) Паровая машина и паровая турбина

Паровая машина (поршневая) — исторически первый тип двигателя, сейчас практически не используется. Паровые турбины — основа современной тепловой и атомной энергетики.

Преимущества:

• "Всеядность" — можно использовать любой источник тепла: сжигать уголь, мазут, газ, использовать ядерную или геотермальную энергию.
• У паровых турбин очень высокая мощность и высокий КПД (в составе энергоблоков).
• Высокий крутящий момент с низких оборотов (у поршневой машины).
• Экологичность: можно организовать полное сгорание топлива с минимальными вредными выбросами.

Недостатки:

• Громоздкость и большой вес всей установки (котел, турбина/машина, конденсатор).
• Низкий КПД у классических паровых машин (1-8%).
• Долгое время запуска (нужно время для нагрева воды и получения пара).
• Эффективны только при больших размерах и постоянной нагрузке (касается турбин).

Ответ: Паровые турбины являются основой крупных электростанций благодаря возможности использовать любое топливо и высокой мощности, но они слишком громоздки для транспорта.

б) Двигатель Стирлинга

Работает за счет нагрева и охлаждения рабочего тела (газа) в замкнутом объеме.

Преимущества:

• Потенциально очень высокий КПД, близкий к теоретическому пределу цикла Карно.
• Крайне низкий уровень шума и вибрации.
• "Всеядность" к источнику тепла (солнце, любое горючее топливо, разница температур).
• Высокая экологичность за счет полного внешнего сгорания.

Недостатки:

• Низкая удельная мощность. Для получения значительной мощности двигатель должен быть большим и тяжелым.
• Высокая стоимость из-за сложности конструкции и необходимости использовать специальные материалы и рабочие тела (водород или гелий под высоким давлением).
• Сложности с отводом тепла, что требует больших радиаторов.

Ответ: Двигатель Стирлинга — почти идеальный двигатель в теории (тихий, экологичный, эффективный), но на практике его применение ограничено нишевыми областями (например, в космосе или на подводных лодках) из-за высокой стоимости и громоздкости.