Номер 312, страница 48 - гдз по физике 8 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Тепловые явления. Работа газа и пара при расширении. Тепловые двигатели - номер 312, страница 48.

Условие.

312. Почему важно создать в цилиндре двигателя внутреннего сгорания высокое давление и температуру?

Решение.

Создание высокого давления и температуры в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (ДВС) является ключевым фактором для повышения его эффективности и мощности. Это можно объяснить с точки зрения термодинамики и механики.

1. Повышение термодинамического КПД

Работа любого теплового двигателя основана на преобразовании тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую работу. Коэффициент полезного действия (КПД) идеального теплового двигателя, работающего по циклу Карно, определяется формулой:

$\eta = \frac{T_1 - T_2}{T_1} = 1 - \frac{T_2}{T_1}$

где $T_1$ – абсолютная температура нагревателя (в ДВС это максимальная температура сгорающих газов), а $T_2$ – абсолютная температура холодильника (температура окружающей среды, куда уходят выхлопные газы). Из формулы видно, что для увеличения КПД необходимо максимально повысить температуру нагревателя $T_1$.

В ДВС на такте сжатия топливовоздушная смесь адиабатически сжимается, что приводит к значительному росту её давления и температуры еще до поджига. Когда смесь воспламеняется, её температура возрастает еще сильнее. Чем выше была начальная температура перед сгоранием, тем более высокой будет и максимальная температура $T_1$ в цикле. Таким образом, создание высокого давления (и, как следствие, температуры) на такте сжатия напрямую ведет к увеличению КПД двигателя.

2. Увеличение совершаемой работы

На такте рабочего хода расширяющиеся газы толкают поршень, совершая полезную работу. Сила, действующая на поршень, прямо пропорциональна давлению газов: $F = P \cdot S$, где $\text{P}$ – давление, а $\text{S}$ – площадь поршня. Работа, совершаемая газом, тем больше, чем выше давление в цилиндре в начале рабочего хода. Высокое давление, создаваемое при сгорании предварительно сжатой смеси, обеспечивает большую силу, действующую на поршень, и, следовательно, позволяет получить большую механическую работу за один цикл.

3. Обеспечение полного и быстрого сгорания топлива

Высокие давление и температура способствуют более быстрому и полному сгоранию топливовоздушной смеси. Это означает, что больше химической энергии топлива преобразуется в тепловую энергию за очень короткое время, пока поршень находится вблизи верхней мертвой точки. Неполное сгорание приводит к потере мощности, увеличению расхода топлива и повышению токсичности выхлопных газов.

Таким образом, создание высокого давления и температуры в цилиндре ДВС необходимо для увеличения его КПД, мощности и для обеспечения эффективного сгорания топлива.

Ответ: Высокое давление и температура в цилиндре двигателя внутреннего сгорания необходимы для того, чтобы: 1) повысить термодинамический КПД двигателя, так как он напрямую зависит от максимальной температуры рабочего тела (газов); 2) увеличить полезную работу, совершаемую газами при расширении, так как сила, действующая на поршень, пропорциональна давлению; 3) обеспечить более полное и быстрое сгорание топлива, что позволяет высвободить максимум энергии и снизить вредные выбросы.