Номер 45.10, страница 167 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 45. Тепловые двигатели. Глава 6. Тепловые явления - номер 45.10, страница 167.

45.10 [1135] Почему температура газа в двигателе внутреннего сгорания в конце такта «рабочий ход» ниже, чем в начале этого такта?

Решение

Снижение температуры газа в конце такта «рабочий ход» по сравнению с его началом объясняется законами термодинамики. Такт рабочего хода начинается с воспламенения топливно-воздушной смеси, что приводит к резкому повышению давления и температуры газа. Этот газ высокого давления толкает поршень вниз, совершая механическую работу и приводя в движение коленчатый вал двигателя.

Процесс, происходящий с газом во время рабочего хода, можно проанализировать с помощью первого закона термодинамики: $ \Delta U = Q - A $, где $ \Delta U $ — это изменение внутренней энергии газа, $ Q $ — количество теплоты, полученное системой, а $ A $ — работа, совершенная газом над внешними телами (в данном случае, над поршнем).

Внутренняя энергия идеального газа напрямую связана с его температурой. Для рабочего тела в ДВС это соотношение является хорошим приближением. Уменьшение внутренней энергии означает понижение температуры, и наоборот.

В ходе такта рабочего хода газ, расширяясь в цилиндре, совершает положительную работу ($ A > 0 $). Этот процесс расширения происходит очень быстро, поэтому можно считать, что газ не успевает обменяться значительным количеством теплоты с окружающей средой (стенками цилиндра). Такой процесс называется адиабатным, и для него можно принять, что количество переданной теплоты $ Q $ близко к нулю ($ Q \approx 0 $).

Применяя эти условия к первому закону термодинамики, получаем: $ \Delta U \approx 0 - A $, то есть $ \Delta U \approx -A $.

Так как работа $ A $, совершаемая газом, положительна, изменение внутренней энергии $ \Delta U $ будет отрицательным. Это означает, что внутренняя энергия газа уменьшается. Следовательно, его температура также падает. Иными словами, газ совершает работу за счет своей собственной внутренней энергии, преобразуя ее в механическую энергию, что и приводит к его охлаждению.

Ответ: В конце такта «рабочий ход» температура газа ниже, чем в начале, потому что при расширении газ совершает механическую работу по перемещению поршня. Согласно первому закону термодинамики, эта работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии газа, что приводит к понижению его температуры.