Номер 2, страница 228, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

2. Каковы проблемы и перспективы развития тепловых машин?

Проблемы развития тепловых машин

Несмотря на свою многолетнюю историю и повсеместное распространение, тепловые машины сталкиваются с рядом серьезных проблем, которые определяют направления их дальнейшего развития.

1. Экологическое воздействие. Основная проблема связана со сжиганием ископаемого топлива. В процессе работы тепловых машин в атмосферу выбрасываются вредные вещества: оксиды углерода ($CO$, $CO_2$), оксиды азота ($NO_x$), оксиды серы ($SO_x$), сажа и другие твердые частицы. Эти выбросы приводят к загрязнению воздуха, кислотным дождям и образованию смога. Выброс углекислого газа ($CO_2$) является главной причиной парникового эффекта и глобального изменения климата. Кроме того, мощные тепловые электростанции (ТЭЦ, АЭС) вызывают тепловое загрязнение, сбрасывая большое количество отработанного тепла в водоемы и атмосферу, что нарушает локальные экосистемы.

2. Низкий коэффициент полезного действия (КПД). КПД любой тепловой машины принципиально ограничен вторым законом термодинамики. Максимально возможный КПД для идеальной машины, работающей по циклу Карно, определяется формулой: $\eta_{max} = 1 - \frac{T_2}{T_1}$, где $T_1$ – абсолютная температура нагревателя (рабочего тела), а $T_2$ – абсолютная температура холодильника (окружающей среды). В реальных двигателях КПД значительно ниже из-за потерь на трение, неполного сгорания топлива, теплоотдачи в окружающую среду. Например, КПД большинства автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) составляет 25–45%, а паровых турбин на ТЭЦ – около 40–45%. Дальнейшее повышение КПД требует создания новых жаропрочных материалов и усложнения конструкции, что ведет к удорожанию.

3. Истощение топливных ресурсов. Подавляющее большинство тепловых машин работает на невозобновляемых источниках энергии – нефти, природном газе, угле. Запасы этих ресурсов на планете ограничены, и их истощение в будущем приведет к серьезному энергетическому кризису.

4. Шум и вибрация. Работа многих тепловых машин, в частности поршневых ДВС, сопровождается значительным уровнем шума и вибрации. Это создает дискомфорт, негативно влияет на здоровье человека и требует применения сложных и дорогостоящих систем шумо- и виброизоляции.

Ответ: Основными проблемами развития тепловых машин являются их негативное влияние на окружающую среду (выбросы, тепловое загрязнение), низкий КПД, ограниченный законами термодинамики, зависимость от исчерпаемых ископаемых видов топлива, а также высокий уровень шума и вибрации.

Перспективы развития тепловых машин

Перспективы развития тепловых машин направлены на решение существующих проблем и повышение их эффективности и экологичности.

1. Повышение КПД и общей эффективности. Это ключевое направление, включающее несколько подходов:

а) Использование комбинированных циклов. Например, в парогазовых установках (ПГУ) горячие выхлопные газы газовой турбины используются для производства пара, который вращает паровую турбину. Это позволяет достигать КПД свыше 60%.

б) Когенерация и тригенерация. Эффективное использование тепла, отводимого к "холодильнику". Тепло, которое раньше просто выбрасывалось, используется для отопления и горячего водоснабжения (когенерация) или даже для выработки холода в абсорбционных установках (тригенерация). Это резко повышает суммарный коэффициент использования энергии топлива.

в) Совершенствование конструкции. Разработка двигателей с переменной степенью сжатия, применение систем прямого впрыска топлива, турбонаддува, а также использование новых материалов (керамики, композитов), выдерживающих более высокие температуры, что позволяет повысить температуру нагревателя $T_1$ и, следовательно, термодинамический КПД.

2. Снижение экологического вреда.

а) Переход на альтернативные виды топлива. Все большее внимание уделяется использованию более чистых видов топлива: природного газа, водорода, биотоплива (биоэтанол, биодизель), синтетического топлива. Двигатели, работающие на водороде, выделяют в основном водяной пар.

б) Развитие гибридных силовых установок. Комбинация ДВС с электродвигателем и аккумулятором позволяет оптимизировать режим работы ДВС, отключая его при малых нагрузках и используя рекуперативное торможение. Это значительно снижает расход топлива и количество вредных выбросов в городских условиях.

в) Усовершенствование систем очистки выхлопных газов. Применение более эффективных каталитических нейтрализаторов, сажевых фильтров и систем рециркуляции отработавших газов (EGR) позволяет снизить выбросы до соответствия самым строгим экологическим нормам.

3. Разработка двигателей новых типов. Ведутся исследования и разработки двигателей с внешним подводом теплоты (двигатель Стирлинга), которые могут работать от любого источника тепла и отличаются низким уровнем шума и экологичностью. Также продолжаются работы по усовершенствованию роторно-поршневых двигателей и созданию свободно-поршневых генераторов.

Ответ: Перспективы развития тепловых машин связаны с повышением их КПД за счет комбинированных циклов и когенерации, снижением экологического вреда через переход на альтернативные топлива (водород, биотопливо) и создание гибридных установок, а также разработкой принципиально новых конструкций, таких как двигатели Стирлинга.