Номер 45.9, страница 167 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 45. Тепловые двигатели. Глава 6. Тепловые явления - номер 45.9, страница 167.

45.9 [1134] В каком случае жидкое распылённое топливо в цилиндре двигателя внутреннего сгорания обладает большей внутренней энергией: к концу такта всасывания или к концу такта сжатия?

Решение

Для ответа на этот вопрос рассмотрим два состояния топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя и процесс, который переводит систему из одного состояния в другое. Внутренняя энергия тела или системы тел — это сумма кинетической энергии хаотического движения всех его частиц (молекул, атомов) и потенциальной энергии их взаимодействия. Для газов и жидкостей внутренняя энергия в основном определяется температурой.

Состояние 1: конец такта всасывания. В этот момент цилиндр заполнен топливовоздушной смесью при относительно невысокой температуре и давлении, близком к атмосферному.

Состояние 2: конец такта сжатия. В этот момент та же самая топливовоздушная смесь сжата поршнем до значительно меньшего объёма.

Процесс перехода из состояния 1 в состояние 2 — это такт сжатия. Проанализируем этот процесс с точки зрения первого закона термодинамики, который гласит, что изменение внутренней энергии системы ($\Delta U$) равно сумме работы ($A$), совершённой над системой, и количества теплоты ($Q$), переданного системе:

$\Delta U = A + Q$

Во время такта сжатия поршень движется, уменьшая объём смеси. Это означает, что внешние силы совершают над смесью положительную работу, то есть $A > 0$.

Такт сжатия в двигателе внутреннего сгорания происходит очень быстро (за доли секунды). За такое короткое время топливовоздушная смесь не успевает обменяться значительным количеством теплоты со стенками цилиндра. Поэтому процесс сжатия можно считать адиабатным (или, точнее, адиабатическим), для которого $Q \approx 0$.

Подставляя эти условия в первый закон термодинамики, получаем:

$\Delta U \approx A$

Поскольку работа $A$, совершённая над газом, положительна, то и изменение внутренней энергии $\Delta U$ будет положительным. Это означает, что внутренняя энергия смеси в конце такта сжатия ($U_2$) будет больше, чем в конце такта всасывания ($U_1$):

$U_2 > U_1$

Увеличение внутренней энергии проявляется в виде значительного роста температуры топливовоздушной смеси. Так как распылённое топливо является неотъемлемой частью этой смеси, его внутренняя энергия также увеличивается.

Ответ: Жидкое распылённое топливо обладает большей внутренней энергией к концу такта сжатия.