Номер 5.17, страница 26 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Тепловые явления. 5. Энергия топлива. Удельная теплота сгорания - номер 5.17, страница 26.

Условие.

5.17. Почему в качестве топлива выгоднее использовать бензин, а не порох, но порох нельзя заменить бензином в артиллерийских снарядах?

Решение.

Почему в качестве топлива выгоднее использовать бензин, а не порох

Использование бензина в качестве топлива, например, в двигателях внутреннего сгорания, является более выгодным по сравнению с порохом по нескольким ключевым причинам:

1. Удельная теплота сгорания. Это одна из важнейших характеристик топлива. У бензина она составляет примерно $44 \frac{МДж}{кг}$, в то время как у пороха — всего около $3-4 \frac{МДж}{кг}$. Это означает, что при сжигании одного килограмма бензина выделяется в 10-15 раз больше энергии, чем при сжигании килограмма пороха. Следовательно, для выполнения одной и той же работы требуется значительно меньшая масса бензина, что делает его гораздо более эффективным топливом.

2. Управляемость процесса горения. Горение бензина в двигателе — это контролируемый и управляемый процесс. Топливо смешивается с воздухом и сгорает небольшими порциями в каждом цикле работы двигателя. Это позволяет плавно регулировать мощность и поддерживать работу механизма в течение длительного времени. Горение пороха — это очень быстрая, практически мгновенная реакция (дефлаграция), носящая взрывной характер. Такой процесс невозможно использовать для плавной работы двигателя; он бы просто разрушил его.

3. Стоимость и доступность. Бензин является продуктом массовой нефтепереработки и поэтому относительно дешев и широко доступен. Порох — это специализированный продукт, производство которого сложнее и дороже.

4. Продукты сгорания. При сгорании пороха образуется большое количество твердых частиц (сажа, дым), которые быстро бы загрязнили и вывели из строя двигатель. Бензин сгорает с образованием преимущественно газообразных продуктов, которые легко удаляются через выхлопную систему.

Ответ: Бензин выгоднее использовать в качестве топлива из-за его значительно более высокой удельной теплоты сгорания, возможности контролировать процесс горения, доступности и более низкой стоимости по сравнению с порохом.

Почему порох нельзя заменить бензином в артиллерийских снарядах

Несмотря на все преимущества бензина как топлива, он абсолютно непригоден для замены пороха в качестве метательного вещества в артиллерийских снарядах. Это связано с фундаментальными различиями в их свойствах и условиях горения:

1. Необходимость в окислителе. Для горения любому топливу нужен окислитель. Бензин использует для этого кислород из атмосферного воздуха. В патроне или снаряде, где пороховой заряд находится в герметичной гильзе, доступа к воздуху нет. Ключевое свойство пороха заключается в том, что он является автономной системой: в его состав уже входит и горючее (например, уголь, сера), и окислитель (например, калиевая селитра $KNO_3$). Благодаря этому порох может гореть в замкнутом объеме без доступа кислорода.

2. Скорость горения. Задача метательного заряда — за тысячные доли секунды создать в стволе оружия огромное давление газов, которое с большой скоростью вытолкнет снаряд. Порох специально разработан для такого режима сверхбыстрого горения (дефлаграции), скорость которого точно контролируется химическим составом и формой зерен. Бензин в виде топливо-воздушной смеси горит гораздо медленнее. Попытка же инициировать его мгновенное сгорание приведет к детонации — объемному взрыву, ударная волна которого не вытолкнет снаряд, а разорвет ствол оружия.

Ответ: Порох нельзя заменить бензином в артиллерийских снарядах, потому что для горения бензина нужен кислород из воздуха, которого нет в закрытой гильзе, а также потому, что порох обеспечивает чрезвычайно быстрое и контролируемое горение, необходимое для создания высокого давления и выталкивания снаряда, в то время как горение бензина либо слишком медленное, либо переходит в неконтролируемую детонацию, разрушающую оружие.