Номер 318, страница 49 - гдз по физике 8 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Тепловые явления. Работа газа и пара при расширении. Тепловые двигатели - номер 318, страница 49.

Условие.

318. Температура в цилиндре дизельного двигателя достигает 1800 °C, карбюраторного двигателя — 2500 °C. Почему у карбюраторного двигателя наиболее высокая температура? Чем ограничено применение высоких температур у паровых турбин?

Решение.

Почему у карбюраторного двигателя наиболее высокая температура?

Разница в максимальной температуре горения в цилиндрах дизельного и карбюраторного двигателей обусловлена фундаментальными различиями в их рабочих циклах.

В карбюраторном (бензиновом) двигателе в цилиндр на такте впуска засасывается уже готовая горючая смесь воздуха и паров бензина. На такте сжатия эта смесь сжимается (со степенью сжатия 8–12) и в конце такта поджигается электрической искрой от свечи зажигания. Воспламенение и сгорание смеси происходят очень быстро, практически взрывообразно, в малом объеме вблизи верхней мертвой точки поршня. Этот процесс близок к изохорному (протекающему при постоянном объеме). Такое быстрое выделение большого количества теплоты в ограниченном объеме приводит к резкому скачку давления и температуры, которая может достигать 2500 °C.

В дизельном двигателе рабочий цикл устроен иначе. На такте впуска в цилиндр поступает только чистый воздух. На такте сжатия этот воздух сжимается гораздо сильнее, чем в бензиновом двигателе (степень сжатия 14–25). Из-за такого сильного адиабатического сжатия воздух раскаляется до температуры 700–900 °C. В самом конце такта сжатия в этот раскаленный воздух через форсунку под высоким давлением впрыскивается дизельное топливо. При контакте с горячим воздухом мелко распыленное топливо самовоспламеняется. Горение происходит по мере впрыска топлива и его перемешивания с воздухом, в то время как поршень уже начинает двигаться вниз. Этот процесс более длительный и протекает при почти постоянном давлении (изобарный процесс). Поскольку теплота выделяется не мгновенно, а постепенно, и при этом объем над поршнем увеличивается, пиковая температура оказывается ниже, чем в карбюраторном двигателе, и составляет около 1800 °C.

Ответ: Наиболее высокая температура у карбюраторного двигателя достигается из-за очень быстрого, практически мгновенного сгорания (близкого к изохорному процессу) заранее подготовленной топливовоздушной смеси, которая поджигается искрой. В дизельном двигателе сгорание происходит медленнее по мере впрыска топлива (близко к изобарному процессу), что и приводит к более низкой пиковой температуре.

Чем ограничено применение высоких температур у паровых турбин?

Эффективность (КПД) любой тепловой машины, в том числе паровой турбины, напрямую зависит от разницы температур нагревателя и холодильника. Согласно циклу Карно, идеальный КПД определяется формулой $\eta = 1 - \frac{T_{холод}}{T_{нагрев}}$, где $T_{нагрев}$ — абсолютная температура рабочего тела (пара) на входе в турбину, а $T_{холод}$ — температура на выходе (в конденсаторе). Из формулы видно, что повышение начальной температуры пара является одним из ключевых способов увеличения КПД турбины. Однако существует несколько серьезных ограничений для безграничного повышения температуры:

1. Жаропрочность материалов. Это основной ограничивающий фактор. Лопатки ротора и другие элементы турбины, особенно в первых, высокотемпературных ступенях, испытывают колоссальные нагрузки: высокое давление, огромные центробежные силы из-за вращения на высокой скорости и воздействие высокой температуры. При повышении температуры прочность металлов и сплавов значительно снижается. Возникает явление, называемое ползучестью (крипом) — медленная, но необратимая деформация материала под действием постоянной нагрузки при высокой температуре. Ползучесть может привести к удлинению лопаток, их контакту с корпусом турбины и, как следствие, к аварии. Поэтому рабочая температура ограничена свойствами жаропрочных сталей и специальных сплавов (например, на основе никеля), из которых изготавливают детали турбины.

2. Высокотемпературная коррозия. Перегретый водяной пар под высоким давлением является химически активной средой, которая вызывает интенсивное окисление (коррозию) металлов. С ростом температуры скорость коррозионных процессов резко возрастает, что сокращает срок службы дорогостоящих деталей турбины.

3. Стоимость. Разработка, производство и обработка жаропрочных сплавов, способных работать при экстремальных температурах, являются очень сложными и дорогостоящими. Кроме того, для работы при сверхвысоких температурах требуются сложные системы охлаждения лопаток, что еще больше удорожает конструкцию.

Ответ: Применение высоких температур у паровых турбин ограничено в первую очередь жаропрочностью конструкционных материалов. При превышении критических температур материалы теряют механическую прочность, подвергаются ползучести и интенсивной коррозии, что может привести к разрушению турбины.