Творческое задание, страница 40 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Составьте задачу по изученной теме с техническим и экологическим содержанием.

Поскольку в задании требуется составить задачу на изученную тему, приведем в качестве примера задачу на тему "Работа, мощность, энергия" с расчетом КПД теплового двигателя и оценкой экологических последствий его работы.

Задача:

Автомобиль массой 1,5 т движется равномерно по горизонтальному участку дороги протяженностью 100 км. Коэффициент сопротивления движению (включая трение качения и сопротивление воздуха) составляет 0,04. Двигатель автомобиля имеет КПД 25%. В качестве топлива используется бензин с удельной теплотой сгорания 46 МДж/кг и плотностью 750 кг/м³. Считается, что при сгорании 1 кг бензина в атмосферу выбрасывается 3,09 кг углекислого газа (CO₂).

Определите:

1. Какую полезную работу совершил двигатель автомобиля?

2. Какое количество теплоты выделилось при сгорании бензина?

3. Какой объем бензина был израсходован на эту поездку?

4. Какая масса углекислого газа была выброшена в атмосферу?

Дано:

$m = 1.5$ т

$S = 100$ км

$\mu = 0.04$

$\eta = 25\%$

$q = 46$ МДж/кг

$\rho = 750$ кг/м³

$k_{CO_2} = 3.09$ кг CO₂ / кг топлива

$g \approx 9.8$ м/с² (ускорение свободного падения)

Перевод в систему СИ:

$m = 1.5 \cdot 1000 = 1500$ кг

$S = 100 \cdot 1000 = 100000$ м $= 10^5$ м

$\eta = 25\% = 0.25$

$q = 46 \cdot 10^6$ Дж/кг

Найти:

1. $A_{полезн}$ - ?

2. $Q_{полн}$ - ?

3. $V_{топл}$ - ?

4. $m_{CO_2}$ - ?

Решение:

1. Расчет полезной работы

Полезная работа, совершаемая двигателем, идет на преодоление силы сопротивления движению. Так как автомобиль движется равномерно, сила тяги двигателя $F_{тяги}$ равна по модулю силе сопротивления $F_{сопр}$.

Силу сопротивления можно рассчитать как $F_{сопр} = \mu \cdot N$, где $N$ - сила нормальной реакции опоры. На горизонтальной дороге $N = m \cdot g$.

$F_{тяги} = F_{сопр} = \mu \cdot m \cdot g$

$F_{тяги} = 0.04 \cdot 1500 \text{ кг} \cdot 9.8 \text{ м/с²} = 588$ Н

Полезная работа $A_{полезн}$ вычисляется по формуле:

$A_{полезн} = F_{тяги} \cdot S$

$A_{полезн} = 588 \text{ Н} \cdot 10^5 \text{ м} = 58.8 \cdot 10^6$ Дж $= 58.8$ МДж

Ответ: Полезная работа, совершенная двигателем, составляет $58.8$ МДж.

2. Расчет затраченной энергии

Коэффициент полезного действия (КПД) двигателя определяется как отношение полезной работы к полной (затраченной) энергии, полученной от сгорания топлива:

$\eta = \frac{A_{полезн}}{Q_{полн}}$

Отсюда полная энергия $Q_{полн}$ (количество теплоты, выделившееся при сгорании) равна:

$Q_{полн} = \frac{A_{полезн}}{\eta}$

$Q_{полн} = \frac{58.8 \cdot 10^6 \text{ Дж}}{0.25} = 235.2 \cdot 10^6$ Дж $= 235.2$ МДж

Экологический аспект: разница между полной и полезной энергией ($Q_{полн} - A_{полезн} = 235.2 - 58.8 = 176.4$ МДж) рассеивается в окружающую среду в виде тепла, что является формой теплового загрязнения.

Ответ: При сгорании бензина выделилось $235.2$ МДж теплоты.

3. Расчет объема топлива

Полная энергия $Q_{полн}$ связана с массой сгоревшего топлива $m_{топл}$ и его удельной теплотой сгорания $q$:

$Q_{полн} = q \cdot m_{топл}$

Найдем массу топлива:

$m_{топл} = \frac{Q_{полн}}{q}$

$m_{топл} = \frac{235.2 \cdot 10^6 \text{ Дж}}{46 \cdot 10^6 \text{ Дж/кг}} \approx 5.113$ кг

Теперь, зная массу и плотность бензина $\rho$, найдем его объем $V_{топл}$:

$V_{топл} = \frac{m_{топл}}{\rho}$

$V_{топл} = \frac{5.113 \text{ кг}}{750 \text{ кг/м³}} \approx 0.006817$ м³

Переведем объем в литры (1 м³ = 1000 л):

$V_{топл} \approx 0.006817 \cdot 1000 \approx 6.82$ л

Ответ: На поездку было израсходовано примерно $6.82$ литра бензина.

4. Расчет выбросов CO₂

Чтобы найти массу выброшенного углекислого газа $m_{CO_2}$, нужно умножить массу сгоревшего топлива на коэффициент выбросов $k_{CO_2}$:

$m_{CO_2} = m_{топл} \cdot k_{CO_2}$

$m_{CO_2} = 5.113 \text{ кг} \cdot 3.09 \frac{\text{кг CO₂}}{\text{кг топлива}} \approx 15.8$ кг

Экологический аспект: для преодоления 100 км данный автомобиль выбросил в атмосферу почти 16 кг углекислого газа. CO₂ является основным парниковым газом, способствующим глобальному изменению климата. Увеличение КПД двигателя, снижение массы автомобиля или коэффициента сопротивления напрямую ведет к уменьшению выбросов.

Ответ: В атмосферу было выброшено около $15.8$ кг углекислого газа.