Номер 3.8, страница 15 - гдз по физике 8 класс задачник Артеменков, Ломаченков

III. Тепловые двигатели - номер 3.8, страница 15.

Условие.

3.8 Объясните, используя табличные данные, почему порох невыгодно применять как топливо, а бензином нельзя заменить порох в артиллерийских орудиях.

Решение.

Для ответа на данный вопрос необходимо сравнить ключевые свойства пороха и бензина, используя справочные (табличные) данные, а именно удельную теплоту сгорания и условия, необходимые для горения.

Почему порох невыгодно применять как топливо

Эффективность топлива определяется количеством энергии, которое выделяется при сгорании единицы его массы. Эта величина называется удельной теплотой сгорания ($\text{q}$). Сравним значения для бензина и пороха:

• Удельная теплота сгорания бензина: $q_{б} \approx 4,6 \cdot 10^7$ Дж/кг.
• Удельная теплота сгорания пороха: $q_{п} \approx 3,8 \cdot 10^6$ Дж/кг.

Рассчитаем, во сколько раз бензин энергетически эффективнее пороха:

$\frac{q_{б}}{q_{п}} = \frac{4,6 \cdot 10^7 \text{ Дж/кг}}{3,8 \cdot 10^6 \text{ Дж/кг}} \approx 12,1$

Таким образом, при сжигании одинаковой массы бензина выделяется примерно в 12 раз больше энергии, чем при сжигании пороха. Это означает, что для выполнения одной и той же работы (например, для поездки автомобиля на определенное расстояние) пороха потребуется в 12 раз больше по массе. Кроме того, стоимость производства пороха значительно выше стоимости бензина. Совокупность этих факторов делает применение пороха в качестве обычного топлива крайне невыгодным.

Ответ: Порох невыгодно применять как топливо, так как его удельная теплота сгорания значительно ниже, чем у бензина (примерно в 12 раз), что делает его неэффективным и экономически нецелесообразным источником энергии по сравнению с традиционными видами топлива.

Почему бензином нельзя заменить порох в артиллерийских орудиях

Основная задача в артиллерийском орудии — создать за очень короткое время (тысячные доли секунды) огромное давление газов, которое с большой скоростью вытолкнет снаряд из ствола. Для этого требуется не просто горение, а взрывной процесс — дефлаграция.

Ключевое различие между порохом и бензином заключается в механизме их горения:

1. Порох является твердым метательным взрывчатым веществом. В его состав уже включены все необходимые компоненты для реакции: и горючее, и окислитель (например, в черном порохе горючими являются сера и уголь, а окислителем — калиевая селитра). Благодаря этому порох может гореть с огромной скоростью в замкнутом пространстве без доступа кислорода извне.
2. Бензин — это жидкое топливо, которое для горения требует наличия внешнего окислителя, как правило, кислорода из воздуха. Для полного сгорания 1 кг бензина требуется около 15 кг воздуха. В замкнутом объеме каморы артиллерийского орудия нет такого количества воздуха, и подать его туда мгновенно невозможно. Без окислителя бензин гореть не будет, а при его недостатке будет гореть медленно и неполно, не создавая давления, достаточного для выстрела.

Таким образом, бензин не может обеспечить нужную скорость горения и газообразования в безвоздушном пространстве ствола орудия, в отличие от пороха, который для этого и предназначен.

Ответ: Бензином нельзя заменить порох в артиллерийских орудиях, так как для горения бензина требуется внешний окислитель (воздух) в большом объеме, который отсутствует в стволе орудия. Порох же содержит собственный окислитель и способен сгорать практически мгновенно в замкнутом пространстве, создавая необходимое для выстрела давление.