Номер 45.8, страница 167 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 45. Тепловые двигатели. Глава 6. Тепловые явления - номер 45.8, страница 167.

45.8 [1133] В каком случае газообразная горючая смесь в цилиндре двигателя внутреннего сгорания обладает большей внутренней энергией: в начале такта «рабочий ход» или в конце его?

Решение

Чтобы ответить на этот вопрос, воспользуемся первым законом термодинамики, который описывает изменение внутренней энергии системы. Закон гласит, что изменение внутренней энергии ($ \Delta U $) системы равно сумме работы ($ A' $), совершенной над системой внешними силами, и количества теплоты ($ Q $), переданного системе. В другой форме, изменение внутренней энергии равно разности между количеством теплоты ($ Q $), переданным системе, и работой ($ A $), совершенной самой системой над внешними телами:

$ \Delta U = Q - A $

Рассмотрим такт «рабочий ход» в двигателе внутреннего сгорания:

1. Начало такта: Сразу после поджигания свечой, горючая смесь сгорает, выделяя большое количество теплоты. Это приводит к резкому повышению температуры и давления газов в цилиндре. Внутренняя энергия газа, которая напрямую зависит от его температуры (для идеального газа $ U = \frac{i}{2}\nu RT $), достигает своего максимального значения.

2. Процесс рабочего хода: Под действием высокого давления газы расширяются, толкая поршень вниз. При этом газ совершает полезную механическую работу ($ A > 0 $). Эта работа является целью работы двигателя. Внутренняя энергия газа расходуется на совершение этой работы.

3. Теплообмен: Процесс расширения происходит очень быстро, поэтому его можно приближенно считать адиабатным, то есть без теплообмена с окружающей средой ($ Q \approx 0 $). В реальности, некоторая часть тепла все же передается стенкам цилиндра, то есть система теряет тепло ($ Q < 0 $).

Подставим эти соображения в формулу первого закона термодинамики для изменения внутренней энергии от начала ($ U_{начало} $) до конца ($ U_{конец} $) такта:

$ \Delta U = U_{конец} - U_{начало} = Q - A $

Поскольку система совершает работу ($ A > 0 $) и теряет тепло или не обменивается им ($ Q \le 0 $), то правая часть уравнения всегда будет отрицательной. Следовательно, изменение внутренней энергии также отрицательно:

$ \Delta U < 0 $

Это означает, что $ U_{конец} < U_{начало} $. Таким образом, внутренняя энергия газа в конце рабочего хода оказывается значительно меньше, чем в начале, так как она была преобразована в механическую работу и частично рассеялась в виде тепла.

Ответ: Газообразная горючая смесь обладает большей внутренней энергией в начале такта «рабочий ход».