Номер 8.19, страница 47 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Тепловые явления. 8. Тепловые двигатели - номер 8.19, страница 47.

Условие.

8.19. Почему при сгорании горючей смеси давление в цилиндре двигателя внутреннего сгорания намного повышается?

Решение.

Решение

Повышение давления в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (ДВС) при сгорании горючей смеси обусловлено двумя основными факторами, которые можно объяснить с помощью уравнения состояния идеального газа (уравнения Менделеева-Клапейрона):

$PV = \nu RT$

где $\text{P}$ — давление газа, $\text{V}$ — его объём, $\nu$ — количество вещества (число молей), $\text{R}$ — универсальная газовая постоянная, а $\text{T}$ — абсолютная температура.

Из этого уравнения следует, что давление $P = \frac{\nu RT}{V}$.

Процесс сгорания в ДВС происходит очень быстро, за время, в течение которого поршень практически не успевает сдвинуться. Поэтому можно считать, что сгорание происходит при почти постоянном объёме ($V \approx const$). В этом случае процесс является изохорным.

1. Резкое повышение температуры. Сгорание топлива — это экзотермическая химическая реакция, то есть реакция, протекающая с выделением большого количества теплоты. Эта теплота мгновенно нагревает газообразные продукты сгорания до очень высоких температур (порядка 2000-2500 °C). Согласно уравнению состояния, при постоянном объёме давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре ($P \sim T$). Значительное увеличение температуры $\text{T}$ приводит к столь же значительному увеличению давления $\text{P}$. Это основной фактор.

2. Увеличение количества вещества (числа молекул газа). В ходе химической реакции сгорания топлива количество молей газа часто увеличивается. Например, при сгорании октана (компонента бензина) реакция выглядит следующим образом:

$2C_8H_{18} (газ) + 25O_2 (газ) \rightarrow 16CO_2 (газ) + 18H_2O (пар)$

До реакции было $2 + 25 = 27$ молей газообразных реагентов. После реакции образуется $16 + 18 = 34$ моля газообразных продуктов. Так как давление также прямо пропорционально количеству вещества ($P \sim \nu$), увеличение числа молей газа вносит дополнительный, хотя и меньший, вклад в рост давления.

Таким образом, основной причиной резкого повышения давления является стремительный рост температуры газов в замкнутом объёме цилиндра, усиленный увеличением количества газовых молекул в результате химической реакции.

Ответ:

Давление в цилиндре ДВС при сгорании горючей смеси значительно повышается в основном из-за резкого увеличения температуры газов в практически постоянном объёме. Сгорание — это экзотермическая реакция, выделяющая огромное количество теплоты, что приводит к многократному росту температуры. Кроме того, в ходе реакции сгорания обычно увеличивается и количество молекул газа, что также вносит вклад в рост давления. Оба этих фактора, согласно уравнению состояния идеального газа, вызывают скачкообразное увеличение давления, которое и толкает поршень, совершая полезную работу.