Номер 675, страница 87 - гдз по физике 10-11 класс задачник Рымкевич

31. Изменение внутренней энергии тел в процессе совершения работы. Тепловые двигатели. Глава VI. Основы термодинамики. Молекулярная физика и термодинамика - номер 675, страница 87.

Условие.

675. Что обладает большей внутренней энергией: рабочая смесь, находящаяся в цилиндре двигателя внутреннего сгорания к концу такта сжатия (до проскакивания искры), или продукт её горения к концу рабочего хода?

Решение 1.

Решение 2.

Решение 3.

Решение 4.

Решение

Внутренняя энергия вещества в контексте данной задачи — это сумма кинетической энергии хаотического движения его молекул (тепловая энергия) и потенциальной энергии их взаимодействия, которая включает в себя химическую энергию, запасенную в химических связях.

Сравним два состояния, описанных в задаче.

1. Рабочая смесь к концу такта сжатия. В этом состоянии топливо-воздушная смесь сжата, что привело к увеличению ее тепловой энергии (температуры). Однако ключевым является то, что химическая реакция горения еще не началась. Поэтому смесь обладает огромным запасом химической энергии. Полная внутренняя энергия системы в этом состоянии, обозначим ее $U_1$, очень велика именно за счет этой химической составляющей.

2. Продукты горения к концу рабочего хода. Это состояние наступает после сгорания смеси и последующего расширения газов. В процессе сгорания химическая энергия преобразуется в тепловую, резко повышая температуру и давление. Затем, во время рабочего хода (расширения), эта энергия расходуется на совершение поршнем полезной механической работы $A$. Кроме того, часть энергии теряется в виде тепла $Q_{потерь}$, которое отводится через стенки цилиндра. Внутренняя энергия $U_2$ в конце рабочего хода — это лишь оставшаяся часть исходной энергии, в основном в виде тепловой энергии продуктов сгорания.

Согласно закону сохранения энергии, начальная энергия системы равна сумме конечной энергии и всей энергии, которая была преобразована в другие виды и покинула систему. Для процесса, начинающегося в конце такта сжатия и заканчивающегося в конце рабочего хода, это можно записать в виде уравнения: $$ U_1 = U_2 + A + Q_{потерь} $$

В этом уравнении $A$ (работа, совершенная газом) и $Q_{потерь}$ (потери тепла) — величины положительные. Двигатель существует для того, чтобы производить работу ($A > 0$), а тепловые потери в реальном процессе неизбежны ($Q_{потерь} > 0$). Из этого следует, что начальная внутренняя энергия $U_1$ должна быть больше, чем конечная внутренняя энергия $U_2$.

Таким образом, внутренняя энергия рабочей смеси перед воспламенением значительно превосходит внутреннюю энергию продуктов горения после того, как они совершили работу и отдали часть тепла.

Ответ: большей внутренней энергией обладает рабочая смесь, находящаяся в цилиндре двигателя внутреннего сгорания к концу такта сжатия (до проскакивания искры).