Номер 2, страница 87 - гдз по физике 8 класс учебник Громов, Родина

Глава 2. Изменение агрегатных состояний вещества. Параграф 22. Реактивный двигатель. Холодильные машины. Вопросы - номер 2, страница 87.

Условие.

2. В чём заключается сходство, а в чём — различия в работе паровой и газовой турбин?

Решение.

1. На каком физическом принципе основано реактивное движение?

Реактивное движение основано на фундаментальном физическом законе — законе сохранения импульса, который является следствием третьего закона Ньютона. Этот принцип гласит, что в замкнутой системе (то есть системе, на которую не действуют внешние силы) суммарный импульс всех тел остаётся постоянным.

Применительно к реактивному движению, например, движению ракеты, это означает следующее: ракета вместе с топливом образует замкнутую систему. Изначально, когда ракета находится в покое, её суммарный импульс равен нулю. Когда из сопла ракеты с высокой скоростью $\vec{v_г}$ выбрасывается масса продуктов сгорания $m_г$, эти газы приобретают импульс $m_г\vec{v_г}$. Чтобы суммарный импульс системы остался равным нулю, сама ракета массой $m_р$ должна приобрести равный по модулю и противоположный по направлению импульс, то есть начать двигаться со скоростью $\vec{v_р}$ в противоположную сторону.

Математически это выражается формулой:

$m_р\vec{v_р} + m_г\vec{v_г} = 0$

Из которой следует:

$m_р\vec{v_р} = -m_г\vec{v_г}$

Таким образом, сила, толкающая ракету вперёд (реактивная тяга), является силой реакции, равной по величине и противоположной по направлению силе, с которой ракета отбрасывает от себя раскалённые газы.

Ответ: Реактивное движение основано на законе сохранения импульса.

2. В чём заключается сходство, а в чём — различия в работе паровой и газовой турбин?

Сходство:

Основное сходство паровой и газовой турбин заключается в их принципе действия и назначении. Обе турбины являются тепловыми двигателями роторного типа, которые преобразуют внутреннюю и кинетическую энергию рабочего тела (газа или пара) в механическую работу вращения вала. В обоих типах турбин поток рабочего тела под высоким давлением и с высокой температурой направляется на криволинейные лопатки, закреплённые на роторе, и заставляет его вращаться. Конструктивно они обе состоят из ротора с рабочими лопатками и статора (корпуса с направляющими аппаратами или соплами). Основное назначение — привод электрических генераторов на электростанциях, а также использование в качестве двигателей на транспорте (например, на кораблях или в авиации).

Различия:

Несмотря на схожий принцип, существуют и ключевые различия:

1. Рабочее тело: В паровой турбине рабочим телом является водяной пар, который получается в отдельном устройстве — паровом котле, где вода нагревается за счёт сжигания топлива или ядерной реакции. В газовой турбине рабочим телом являются горячие газы — продукты сгорания топлива (например, природного газа или керосина), которые образуются непосредственно в камере сгорания, являющейся частью самой турбинной установки.

2. Тип двигателя: Паровая турбина — это двигатель внешнего сгорания, так как источник тепла (сжигание топлива) находится вне самой турбины. Газовая турбина — это двигатель внутреннего сгорания, так как сгорание топлива и образование рабочего тела происходит внутри установки.

3. Термодинамический цикл: Паровые турбины работают по циклу Ренкина, который включает фазовый переход рабочего тела (вода ↔ пар). Газовые турбины работают по циклу Брайтона, в котором рабочее тело всегда находится в газообразном состоянии.

4. Рабочие параметры и конструкция: Газовые турбины работают при значительно более высоких температурах (до 1600 °C), что требует использования специальных жаропрочных материалов. Паровые турбины работают при более низких температурах (до 600–650 °C), но часто имеют более крупные размеры и многоступенчатую конструкцию для эффективного использования энергии пара при его расширении до очень низких давлений (вакуума).

Ответ: Сходство паровой и газовой турбин заключается в принципе преобразования энергии потока рабочего тела во вращение вала. Различия заключаются в типе рабочего тела (водяной пар против продуктов сгорания), типе двигателя (внешнего и внутреннего сгорания), используемом термодинамическом цикле (Ренкина и Брайтона) и рабочих параметрах (температуре, давлении).

3. Как можно определить КПД?

Коэффициент полезного действия (КПД), обозначаемый греческой буквой эта ($\eta$), — это безразмерная физическая величина, которая характеризует эффективность системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Он определяется как отношение полезно использованной энергии (или совершённой полезной работы) к общему количеству энергии, подведённой к системе (или затраченной работе).

В общем виде КПД можно рассчитать по формуле:

$\eta = \frac{A_{полезная}}{A_{затраченная}}$

Часто КПД выражают в процентах, для этого результат умножают на 100%.

$\eta = \frac{A_{полезная}}{A_{затраченная}} \cdot 100\%$

где $A_{полезная}$ — полезная работа, совершённая механизмом, а $A_{затраченная}$ — полная (затраченная) работа.

Аналогично, КПД можно выразить через отношение полезной и затраченной мощностей:

$\eta = \frac{P_{полезная}}{P_{затраченная}} \cdot 100\%$

Для тепловых двигателей (к которым относятся и турбины) затраченной энергией является количество теплоты ($Q_1$), полученное от нагревателя (например, в результате сгорания топлива). Полезная работа ($A_{полезная}$) согласно первому закону термодинамики равна разности между количеством теплоты, полученным от нагревателя ($Q_1$), и количеством теплоты, отданным холодильнику ($Q_2$), то есть $A_{полезная} = Q_1 - Q_2$.

Таким образом, формула для КПД теплового двигателя выглядит так:

$\eta = \frac{A_{полезная}}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}$

Ответ: КПД можно определить как отношение полезной работы (или мощности) к затраченной работе (или мощности). Для теплового двигателя КПД равен отношению совершённой полезной работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя.