Номер 2, страница 151 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 5. Тепловые свойства газов, жидкостей и твёрдых тел. Параграф 37. Паровая турбина. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды. Темы докладов и проектов - номер 2, страница 151.

Условие.

2. Перспективы развития тепловых двигателей.

Решение.

Тепловые двигатели, являясь основой современной цивилизации, продолжают активно развиваться, отвечая на глобальные вызовы, такие как изменение климата и необходимость повышения энергоэффективности. Перспективы их развития лежат в нескольких ключевых областях.

1. Повышение эффективности и снижение потерь в двигателях внутреннего сгорания (ДВС)

Основным направлением остается повышение коэффициента полезного действия (КПД) традиционных поршневых ДВС. Это достигается за счет:
• Оптимизации термодинамического цикла. Применение циклов с удлиненным тактом расширения (цикл Миллера и Аткинсона) позволяет более полно использовать энергию сгорания топлива. Ведутся исследования в области гомогенного сгорания бедных смесей с воспламенением от сжатия (HCCI), что обещает КПД, сравнимый с дизельными двигателями, при значительно меньших выбросах оксидов азота. Теоретический предел эффективности любого теплового двигателя описывается циклом Карно: $\eta_{max} = 1 - \frac{T_Х}{T_Н}$, где $T_Н$ – температура нагревателя (сгорающего топлива), а $T_Х$ – температура холодильника (окружающей среды). Поэтому инженеры стремятся повысить рабочие температуры и давления в цилиндрах.
• Снижения механических потерь. Уменьшение трения между движущимися частями (поршневой группой, коленчатым валом) за счет новых материалов (композитов, керамики), износостойких покрытий (например, алмазоподобных) и применения масел с низкой вязкостью.
• Совершенствования систем управления. Развитие систем прямого впрыска топлива под высоким давлением, турбонаддува с изменяемой геометрией и электрическим приводом, а также систем бесступенчатого изменения фаз газораспределения позволяет оптимизировать рабочий процесс на всех режимах работы двигателя.

Ответ: Перспективы ДВС связаны с улучшением термодинамических циклов, снижением трения и развитием систем электронного управления для достижения максимального КПД.

2. Гибридизация и интеграция с электрическими системами

Одним из главных трендов является создание гибридных силовых установок, где ДВС работает в тандеме с электродвигателем. Это позволяет:
• Эксплуатировать ДВС в зоне его максимальной эффективности, перекладывая нагрузку при неоптимальных режимах (например, при трогании с места) на электромотор.
• Реализовать систему рекуперативного торможения, при котором кинетическая энергия автомобиля преобразуется в электрическую и запасается в аккумуляторе, а не теряется в виде тепла в тормозных механизмах.
• Снизить общий расход топлива и количество вредных выбросов, особенно в городском цикле движения.

Ответ: Гибридизация позволяет компенсировать недостатки ДВС, значительно повышая общую эффективность и экологичность транспортных средств.

3. Адаптация к альтернативным и возобновляемым видам топлива

Будущее тепловых двигателей неразрывно связано с переходом на углеродно-нейтральные и экологически чистые виды топлива:
• Водород. Использование водорода в ДВС позволяет исключить выбросы $CO_2$. Однако требует решения проблем, связанных с его производством, хранением на борту и предотвращением образования оксидов азота ($NO_x$) из-за высокой температуры горения.
• Синтетические топлива (e-fuels). Топлива, производимые с использованием возобновляемой электроэнергии, воды и $CO_2$, уловленного из атмосферы. Такие топлива химически идентичны традиционным и могут использоваться в существующей инфраструктуре, замыкая углеродный цикл.
• Биотоплива. Топлива, получаемые из растительного или животного сырья (биоэтанол, биодизель). Они позволяют снизить зависимость от ископаемых ресурсов, хотя их массовое производство ставит вопросы продовольственной безопасности и землепользования.

Ответ: Адаптация тепловых двигателей к водороду, синтетическим и биотопливам является ключевым фактором для их сохранения в будущем с низкоуглеродной экономикой.

4. Развитие двигателей внешнего сгорания и газотурбинных установок

Помимо ДВС, развиваются и другие типы тепловых двигателей:
• Двигатели Стирлинга. Работают за счет внешнего подвода тепла, что делает их "всеядными" по отношению к источнику энергии (солнце, сжигание биомассы, геотермальное тепло). Они обладают низким уровнем шума и высоким потенциальным КПД. Основные сферы применения — стационарная энергетика, в том числе когенерационные установки малой мощности.
• Газотурбинные установки (ГТУ). Незаменимы в авиации и большой энергетике. Их развитие направлено на создание новых жаропрочных сплавов и керамических композитов, позволяющих поднять температуру газов на входе в турбину и тем самым увеличить КПД. В стационарной энергетике их эффективность резко возрастает при использовании в парогазовом цикле.

Ответ: Двигатели внешнего сгорания и ГТУ имеют свои ниши (стационарная энергетика, авиация) и перспективы их развития связаны с использованием разнообразных источников тепла и новыми материалами.

5. Системы утилизации отходящего тепла и очистки выбросов

Значительная часть энергии топлива в тепловых двигателях теряется с выхлопными газами. Поэтому активно развиваются системы рекуперации этого тепла:
• Термоэлектрические генераторы, преобразующие тепловую энергию непосредственно в электрическую.
• Органический цикл Ренкина (ORC), где тепло выхлопа используется для испарения рабочей жидкости с низкой температурой кипения, пары которой вращают небольшую турбину.
Одновременно совершенствуются системы очистки выбросов: разрабатываются более эффективные и долговечные катализаторы, сажевые фильтры и системы селективного каталитического восстановления (SCR) для минимизации воздействия на окружающую среду.

Ответ: Утилизация отходящего тепла и совершенствование систем очистки выбросов являются важными направлениями, повышающими общую эффективность и экологическую безопасность тепловых двигателей.