Номер 1, страница 214 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Примерные темы учебных проектов. III. Практические приложения физических знаний - номер 1, страница 214.

Условие.

• Физические основы тепловых машин. Автомобильные двигатели внутреннего сгорания.

Решение.

Физические основы тепловых машин. Автомобильные двигатели внутреннего сгорания.

Тепловая машина (или тепловой двигатель) — это устройство, которое циклически преобразует тепловую энергию в механическую работу. Работа любой тепловой машины основана на законах термодинамики.

Основные элементы тепловой машины:

1. Нагреватель — источник тепловой энергии с высокой температурой $T_1$. Он передает рабочему телу количество теплоты $Q_1$.
2. Рабочее тело — газ или пар, который расширяется при нагревании и совершает работу.
3. Холодильник (охладитель) — объект с низкой температурой $T_2$, которому рабочее тело отдает некоторое количество теплоты $Q_2$.

Согласно первому закону термодинамики, работа $\text{A}$, совершаемая тепловой машиной за один цикл, равна разности между количеством теплоты, полученным от нагревателя, и количеством теплоты, отданным холодильнику:
$A = Q_1 - Q_2$

Эффективность тепловой машины характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД), который обозначается буквой $\eta$ (эта). КПД — это отношение совершенной полезной работы $\text{A}$ к количеству теплоты $Q_1$, полученному от нагревателя:
$\eta = \frac{A}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}$

Второй закон термодинамики накладывает фундаментальное ограничение на работу тепловых машин: невозможно создать двигатель, который бы полностью преобразовывал полученную теплоту в работу. Это означает, что всегда есть тепловые потери ($Q_2 > 0$), и, следовательно, КПД любой реальной тепловой машины всегда меньше 1 (или 100%).

Максимально возможный КПД для тепловой машины, работающей между температурами $T_1$ и $T_2$ (в кельвинах), был определен французским инженером Сади Карно:
$\eta_{max} = \frac{T_1 - T_2}{T_1} = 1 - \frac{T_2}{T_1}$
Этот КПД достигается в идеальном цикле Карно. КПД реальных машин всегда ниже этого значения из-за трения, неидеальности процессов и теплообмена с окружающей средой.

Автомобильный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это распространенный пример тепловой машины. В нем сгорание топлива происходит непосредственно внутри рабочего цилиндра. Рассмотрим четырехтактный бензиновый двигатель:

1. Такт впуска. Поршень движется вниз, впускной клапан открыт. В цилиндр засасывается горючая смесь (пары бензина и воздух).
2. Такт сжатия. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Поршень движется вверх, сжимая горючую смесь. Давление и температура смеси возрастают.
3. Такт рабочего хода (сгорание). В конце такта сжатия свеча зажигания создает искру, которая воспламеняет сжатую смесь. Происходит быстрое сгорание (почти взрыв), давление газов резко возрастает, и они с большой силой толкают поршень вниз. В этом такте совершается полезная работа.
4. Такт выпуска. Поршень движется вверх, выпускной клапан открыт. Отработавшие газы выталкиваются из цилиндра в выхлопную систему.

Далее цикл повторяется. Вращение коленчатого вала, вызванное движением поршней, передается через трансмиссию на колеса автомобиля. В данном случае нагревателем являются сгорающие газы, а холодильником — окружающая среда.

Ответ: Физическая основа работы тепловых машин заключается в преобразовании теплоты, полученной от нагревателя, в механическую работу в ходе циклического процесса, что описывается первым и вторым законами термодинамики. Двигатель внутреннего сгорания является примером тепловой машины, где работа совершается за счет энергии газов, образующихся при сгорании топлива внутри цилиндров, в ходе четырехтактного цикла (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск).

Экологические проблемы использования тепловых машин.

Массовое использование тепловых машин, особенно двигателей внутреннего сгорания в транспорте и промышленности, приводит к серьезным экологическим проблемам.

1. Загрязнение атмосферы. Сжигание ископаемого топлива (бензин, дизельное топливо, уголь, мазут) приводит к выбросу в атмосферу вредных веществ:
- Углекислый газ ($CO_2$). Является основным парниковым газом. Накопление $CO_2$ в атмосфере усиливает парниковый эффект, что ведет к глобальному потеплению и изменению климата.
- Угарный газ ($CO$). Образуется при неполном сгорании топлива. Это ядовитый газ, опасный для здоровья человека и животных, так как он блокирует перенос кислорода кровью.
- Оксиды азота ($NO_x$). Образуются при высоких температурах в камере сгорания. Они являются причиной образования смога и кислотных дождей, которые наносят вред растениям, водоемам и зданиям.
- Несгоревшие углеводороды (HC). Частицы топлива, не успевшие сгореть. Многие из них токсичны и канцерогенны, а также участвуют в формировании фотохимического смога.
- Твердые частицы (сажа). Особенно характерны для дизельных двигателей. Мелкие частицы сажи могут проникать глубоко в легкие, вызывая респираторные и сердечно-сосудистые заболевания.
- Оксиды серы ($SO_x$). Выбрасываются при сжигании топлива, содержащего серу. Являются одной из главных причин кислотных дождей.

2. Тепловое загрязнение. Любая тепловая машина отдает часть энергии ($Q_2$) в окружающую среду (холодильник). Для автомобилей это атмосфера, для тепловых электростанций — водоемы или воздух. Масштабное выделение тепла приводит к локальному повышению температуры, что может нарушать экологический баланс, например, влиять на флору и фауну водоемов, используемых для охлаждения.

3. Шумовое загрязнение. Работающие двигатели, особенно в городах с интенсивным движением, создают высокий уровень шума. Шумовое загрязнение негативно сказывается на здоровье людей, вызывая стресс, нарушения сна и проблемы со слухом, а также влияет на поведение диких животных.

Для решения этих проблем разрабатываются и внедряются различные меры: повышение эффективности двигателей, использование более качественного и чистого топлива, установка систем очистки выхлопных газов (каталитические нейтрализаторы, сажевые фильтры), переход на альтернативные виды транспорта (электромобили, водородные автомобили) и развитие общественного транспорта.

Ответ: Основными экологическими проблемами использования тепловых машин являются загрязнение атмосферы вредными выбросами (углекислый и угарный газы, оксиды азота и серы, твердые частицы), что приводит к глобальному потеплению, кислотным дождям и смогу; тепловое загрязнение, нарушающее локальные экосистемы; и шумовое загрязнение, негативно влияющее на здоровье живых организмов.