Номер 3, страница 29 - гдз по физике 8 класс самостоятельные и контрольные работы Марон, Марон

Глава 1. Тепловые явления. Самостоятельные работы. СР-24. Двигатель внутреннего сгорания. Вариант 2 - номер 3, страница 29.

Условие.

3. Когда газ в цилиндре двигателя внутреннего сгорания обладает большей внутренней энергией:

а) в начале или в конце рабочего хода;

б) в конце такта впуска или в конце такта сжатия?

Ответ поясните.

Решение.

Внутренняя энергия идеального газа $\text{U}$ прямо пропорциональна его абсолютной температуре $\text{T}$. Для одноатомного газа, например, формула выглядит так: $U = \frac{3}{2} \nu R T$. В общем случае, $U \propto T$. Следовательно, чтобы определить, когда внутренняя энергия газа больше, нужно сравнить его температуру в различные моменты работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

а) в начале или в конце рабочего хода

Рабочий ход (такт расширения) начинается сразу после воспламенения топливно-воздушной смеси от искры. В этот момент в результате сгорания топлива выделяется большое количество теплоты, и температура газа резко возрастает до максимальных значений (около 2000–2500 К). Внутренняя энергия газа в этот момент также максимальна.

В течение рабочего хода раскаленные газы быстро расширяются и совершают работу, толкая поршень вниз. Этот процесс можно считать адиабатным, так как он происходит очень быстро и теплообмен с окружающей средой незначителен ($Q \approx 0$). Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии $\Delta U$ равно разности между полученным количеством теплоты $\text{Q}$ и совершенной газом работой $\text{A}$: $\Delta U = Q - A$.

Поскольку газ совершает положительную работу ($A > 0$), а теплообмен практически отсутствует, изменение внутренней энергии будет отрицательным: $\Delta U \approx -A < 0$. Это означает, что внутренняя энергия газа (и его температура) в процессе рабочего хода уменьшается, так как она расходуется на совершение механической работы. Таким образом, в конце рабочего хода внутренняя энергия газа значительно меньше, чем в его начале.

Ответ: Внутренняя энергия газа больше в начале рабочего хода.

б) в конце такта впуска или в конце такта сжатия

В конце такта впуска цилиндр заполняется топливно-воздушной смесью, температура которой близка к температуре окружающей среды. Внутренняя энергия газа в этот момент относительно невелика.

Далее следует такт сжатия, во время которого поршень движется вверх, сжимая смесь. В этом процессе над газом совершается работа ($A < 0$). Этот процесс также является практически адиабатным ($Q \approx 0$). Снова обратимся к первому закону термодинамики: $\Delta U = Q - A$. Поскольку работа, совершаемая внешними силами над газом, положительна, то работа самого газа отрицательна ($A < 0$). Следовательно, изменение внутренней энергии будет положительным: $\Delta U \approx -A > 0$. Внутренняя энергия и, соответственно, температура газа в результате сжатия значительно возрастают.

Ответ: Внутренняя энергия газа больше в конце такта сжатия.