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

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

Условие.

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.

Решение 3.

Решение 4.

Решение 5.

Решение 6.

Решение 7.

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».