Номер 5, 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 5, страница 151.

Условие.

5. Конструирование теплового двигателя.

Решение.

Конструирование теплового двигателя — это сложный многодисциплинарный процесс, направленный на создание устройства, которое преобразует тепловую энергию в механическую работу. Этот процесс опирается на фундаментальные законы физики и требует глубоких знаний в области термодинамики, механики, материаловедения и других инженерных наук.

Основные термодинамические принципы

В основе работы любого теплового двигателя лежат законы термодинамики.

Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) гласит, что подведенное к рабочему телу количество теплоты $\text{Q}$ расходуется на изменение его внутренней энергии $\Delta U$ и на совершение им работы $\text{A}$. Для циклического процесса, где система возвращается в исходное состояние и $\Delta U = 0$, работа, совершенная за цикл, равна разности между полученным от нагревателя теплом $Q_H$ и отданным холодильнику теплом $Q_C$: $A = Q_H - |Q_C|$.

Второй закон термодинамики накладывает фундаментальное ограничение на этот процесс: невозможно преобразовать всю подведенную теплоту в работу. Часть тепловой энергии обязательно должна быть передана более холодному телу (холодильнику). Этот закон определяет максимально возможную эффективность (КПД) теплового двигателя.

Ключевые компоненты теплового двигателя

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента:

1. Нагреватель — источник тепла с высокой температурой $T_H$, который передает энергию рабочему телу. В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) это сгорающая топливовоздушная смесь, в паровых турбинах — парогенератор (котел).

2. Рабочее тело — вещество (например, газ, пар), которое совершает циклический процесс, расширяясь при нагревании и сжимаясь при охлаждении, и тем самым производит механическую работу.

3. Холодильник — среда с низкой температурой $T_C$ (например, атмосфера, вода в реке), которой рабочее тело отдает не преобразованную в работу часть теплоты.

Процесс и аспекты конструирования

Проектирование теплового двигателя включает в себя следующие ключевые этапы и задачи:

Выбор термодинамического цикла и рабочего тела. На начальном этапе выбирается теоретический цикл, который будет лежать в основе работы двигателя. Наиболее известными являются циклы Отто (для бензиновых ДВС), Дизеля (для дизельных ДВС), Ренкина (для паровых турбин) и Брайтона (для газовых турбин). Выбор цикла и рабочего тела (воздух, продукты сгорания, водяной пар) зависит от назначения двигателя, вида топлива, требуемой мощности и других эксплуатационных характеристик.

Расчет и оптимизация КПД. Коэффициент полезного действия (КПД) является важнейшим параметром, показывающим эффективность преобразования тепла в работу. Он определяется как отношение совершенной полезной работы $\text{A}$ к количеству теплоты $Q_H$, полученной от нагревателя:

$\eta = \frac{A}{Q_H} = \frac{Q_H - |Q_C|}{Q_H} = 1 - \frac{|Q_C|}{Q_H}$

Теоретический предел КПД для любого двигателя, работающего между абсолютными температурами нагревателя $T_H$ и холодильника $T_C$, задается циклом Карно:

$\eta_{max} = 1 - \frac{T_C}{T_H}$

Основная задача конструктора — максимально приблизить КПД реального двигателя к этому теоретическому пределу. Это достигается за счет повышения температуры нагревателя (ограничено жаропрочностью материалов) и понижения температуры холодильника (ограничено температурой окружающей среды), а также за счет минимизации потерь на трение, теплообмен с окружающей средой и неполноту сгорания топлива.

Проектирование механических компонентов. Этот этап включает разработку конструкции всех узлов: камеры сгорания или котла для эффективного выделения тепла; цилиндро-поршневой группы или лопаток турбины для преобразования энергии расширяющегося газа в механическое движение; систем охлаждения (радиаторов) и теплообменников; кривошипно-шатунного механизма для преобразования поступательного движения во вращательное и других систем.

Выбор конструкционных материалов. Детали двигателя работают в экстремальных условиях высоких температур, давлений и механических нагрузок. Поэтому выбор материалов имеет решающее значение. Для деталей, контактирующих с горячими газами (поршни, клапаны, лопатки турбин), используются жаропрочные и износостойкие сплавы. Корпус и другие элементы должны обладать высокой прочностью и жесткостью.

Учет экологических факторов и безопасности. Современные двигатели должны соответствовать строгим экологическим нормам. Конструкторы решают задачи по снижению выбросов вредных веществ (оксидов азота $NO_x$, угарного газа $CO$, сажи) путем оптимизации процесса сгорания и применения систем нейтрализации отработавших газов. Также уделяется большое внимание надежности, долговечности и безопасности эксплуатации двигателя.

Ответ: Конструирование теплового двигателя — это комплексный инженерный процесс, основанный на законах термодинамики, который включает в себя выбор и оптимизацию термодинамического цикла, проектирование механических узлов из подходящих материалов, а также учет эксплуатационных, экономических и экологических требований с целью создания эффективного и надежного устройства для преобразования тепловой энергии в механическую работу.