Номер 2.61, страница 14 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Тепловые явления. 2. Виды теплопередачи - номер 2.61, страница 14.

Условие.

2.61. Известно, что температура выхлопных газов на выходе из глушителя мотоцикла намного ниже температуры, достигаемой в цилиндре двигателя. Почему?

Решение.

Температура выхлопных газов значительно снижается по сравнению с температурой в цилиндре двигателя по двум основным физическим причинам:

1. Расширение газа с совершением работы. В момент открытия выпускного клапана раскалённые газы находятся в цилиндре под очень высоким давлением. Они устремляются в выхлопную систему, где давление намного ниже (близко к атмосферному). Этот процесс представляет собой быстрое расширение. При расширении газ совершает работу, выталкивая порцию газов, уже находящуюся в выхлопной трубе, и расширяясь в объёме. Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии газа $\Delta U$ равно сумме полученного тепла $\text{Q}$ и работы $A'$, совершённой над газом внешними силами: $\Delta U = Q + A'$. Если газ сам совершает работу $\text{A}$, то $A' = -A$, и формула принимает вид $\Delta U = Q - A$. Поскольку расширение происходит очень быстро, газы не успевают обменяться значительным количеством тепла с окружающей средой ($Q \approx 0$). Такой процесс называется адиабатным. В этом случае $\Delta U \approx -A$. Так как газ совершает работу ($A > 0$), его внутренняя энергия $\Delta U$ уменьшается. Внутренняя энергия газа напрямую связана с его температурой. Следовательно, совершая работу при расширении, газ расходует свою внутреннюю энергию и сильно охлаждается.

2. Теплообмен с окружающей средой. Проходя по выхлопному коллектору, трубе и глушителю, горячие газы отдают часть своего тепла стенкам выхлопной системы. Эти металлические части, в свою очередь, охлаждаются набегающим потоком воздуха. Этот процесс теплопередачи происходит на всём пути следования газов от двигателя до выхода из глушителя и вносит дополнительный вклад в их охлаждение.

Таким образом, сочетание адиабатного расширения и теплообмена приводит к значительному падению температуры выхлопных газов.

Ответ: Температура выхлопных газов падает, потому что при быстром расширении из области высокого давления (цилиндр) в область низкого давления (выхлопная система) газ совершает работу, что приводит к уменьшению его внутренней энергии и охлаждению. Дополнительное охлаждение происходит за счёт теплоотдачи стенкам выхлопной системы.