Номер 6, страница 50 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 3. Тепловые машины. Параграф 13. Паровая турбина. КПД тепловых двигателей. Вопросы - номер 6, страница 50.

Условие.

6. Как можно повысить КПД тепловых двигателей?

Решение.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя — это отношение полезной работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя. Существует несколько способов повышения этого показателя, которые можно разделить на теоретические, основанные на термодинамике, и практические, направленные на уменьшение потерь в реальных установках.

1. Повышение температуры нагревателя
КПД идеального теплового двигателя, работающего по циклу Карно, определяется формулой: $\eta_{max} = 1 - \frac{T_{холодильника}}{T_{нагревателя}}$, где $T_{нагревателя}$ – абсолютная температура нагревателя, а $T_{холодильника}$ – абсолютная температура холодильника. Из формулы видно, что при увеличении температуры нагревателя $T_{нагревателя}$ (при постоянной $T_{холодильника}$) отношение $\frac{T_{холодильника}}{T_{нагревателя}}$ уменьшается, а значит, КПД возрастает. В реальных двигателях это достигается за счет использования топлива с более высокой теплотой сгорания, повышения степени сжатия и применения жаропрочных материалов, способных выдерживать высокие температуры.
Ответ: Повышение температуры рабочего тела в наиболее горячей точке цикла увеличивает КПД теплового двигателя.

2. Понижение температуры холодильника
Из той же формулы Карно следует, что уменьшение температуры холодильника $T_{холодильника}$ (при постоянной $T_{нагревателя}$) также приводит к увеличению КПД. Однако этот способ имеет практические ограничения, поскольку в большинстве случаев в качестве холодильника выступает окружающая среда (воздух или вода), температуру которой сложно существенно понизить. Тем не менее, проектирование эффективных систем охлаждения, которые поддерживают температуру отработанных газов как можно более низкой, способствует повышению КПД.
Ответ: Понижение температуры, при которой тепло отводится от рабочего тела, увеличивает КПД теплового двигателя.

3. Уменьшение потерь на трение
В любом реальном механизме существуют силы трения между движущимися частями (например, поршня о стенки цилиндра). Трение преобразует часть полезной механической работы в теплоту, которая рассеивается, снижая общий КПД. Для уменьшения этих потерь применяют качественные смазочные материалы, используют подшипники качения вместо подшипников скольжения, а также изготавливают детали из материалов с низким коэффициентом трения и с высокой точностью обработки.
Ответ: Уменьшение сил трения между деталями двигателя повышает его КПД.

4. Уменьшение непроизводительных тепловых потерь
Часть тепловой энергии от сгорания топлива не передается рабочему телу для совершения работы, а уходит напрямую в окружающую среду через стенки цилиндров и систему выпуска. Эти потери можно сократить за счет теплоизоляции горячих частей двигателя, например, используя керамическое напыление на деталях камеры сгорания. Это позволяет направить больше энергии на совершение полезной работы.
Ответ: Уменьшение утечек тепла в окружающую среду повышает КПД.

5. Обеспечение полноты сгорания топлива
Эффективность двигателя внутреннего сгорания напрямую зависит от того, насколько полно сгорает топливо. Если топливо сгорает не полностью, то выделяется меньше теплоты ($Q_{нагревателя}$), чем потенциально возможно, что напрямую снижает КПД. Для этого совершенствуют системы впрыска топлива, оптимизируют состав топливовоздушной смеси и конструкцию камеры сгорания для обеспечения наилучшего смесеобразования и горения.
Ответ: Повышение полноты сгорания топлива увеличивает КПД двигателя.