Номер 45.11, страница 167 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 45. Тепловые двигатели. Глава 6. Тепловые явления - номер 45.11, страница 167.

45.11 [1136] Почему в паровой турбине температура отработанного пара ниже, чем температура пара, поступающего к лопаткам турбины?

Температура отработанного пара в паровой турбине ниже, чем температура поступающего пара, из-за преобразования энергии. Этот процесс можно объяснить с помощью первого закона термодинамики.

1. Входные параметры. В турбину подается перегретый водяной пар под высоким давлением и с высокой температурой. Такой пар обладает большим запасом внутренней энергии. Внутренняя энергия газа (в данном случае пара) напрямую зависит от его температуры и определяется кинетической энергией хаотического движения его молекул.

2. Совершение работы. Проходя через сопла и попадая на лопатки турбины, пар адиабатически расширяется. Это означает, что он увеличивается в объеме, его давление и температура падают. При расширении пар давит на лопатки турбины, заставляя ротор вращаться. Таким образом, пар совершает механическую работу ($A$) по вращению вала турбины.

3. Закон сохранения энергии. Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии системы ($\Delta U$) равно сумме полученного тепла ($Q$) и совершенной над системой работы. В общем виде: $\Delta U = Q - A'$, где $A'$ - работа, совершенная системой (газом). В идеализированной модели турбины процесс расширения пара происходит очень быстро, и теплообменом с окружающей средой можно пренебречь. Такой процесс называется адиабатическим, и для него $Q=0$.

Таким образом, для адиабатического расширения пара в турбине первый закон термодинамики принимает вид:

$ \Delta U = -A' $

Это уравнение показывает, что механическая работа ($A' > 0$) совершается системой (паром) исключительно за счет уменьшения ее собственной внутренней энергии ($\Delta U < 0$).

4. Результат. Так как внутренняя энергия пара уменьшается, его температура, которая является мерой этой энергии, также падает. Поэтому пар, выходящий из турбины (отработанный пар), имеет значительно более низкую температуру и давление, чем пар, который в нее поступал.

Ответ: В паровой турбине внутренняя энергия горячего пара преобразуется в механическую работу по вращению лопаток. Согласно первому закону термодинамики, совершение работы газом при адиабатическом расширении приводит к уменьшению его внутренней энергии, а следовательно, и к снижению его температуры.