Электротехника Законы Ома и Кирхгофа Постоянный электрический ток Молекулярная физика Колебания Термодинамика

Известно, что температура газов в камерах сгорания современных дизелей достигает 2200 0С, а на входе в коллектор ­ 300 0С, на выходе из глушителя ­ порядка 150 0С. Как это можно объяснить?

  Решение

 1. Принцип действия дизельного двигателя заключается в том, что воспламенение в его цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух, предварительно, сжатый поршнем и, следовательно, нагретый до высокой температуры. Этим он отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания, в котором используется особое устройство для воспламенения топлива ­ электрозапальная свеча. На рисунке приняты следующие обозначения: 1 ­ свеча для предварительного прогрева камеры сгорания при запуске, 2 ­ клапанная система, 3 ­ система впрыска топлива, 4 ­ полость системы охлаждения.

  2. В двигателях внутреннего сгорания работа производится за счёт изменения объёма рабочего тела (воспламенившаяся топливно-воздушная смесь). Поскольку процесс расширения газа происходит за весьма короткое время, а процесс теплообмена инертен, то его можно в первом приближении считать изотермическим

 . (1)

 Механическая работа осуществляется газом за счёт внутренней энергии, объём увеличивается ­ внутренняя энергия уменьшается. Процесс изотермического расширения сменяется в ДВС процессом адиабатного расширения и дальнейшего уменьшения внутренней энергии

 . (2)

Поскольку величины {m, m, i, R} постоянны, то уменьшение внутренней энергии должно сопровождаться уменьшением температуры газа.

 2.3.44. Наполненный горячей водой сосуд остывает медленнее, чем при небольшом количестве воды в нём. Почему?

 Решение

 1. Для упрощения оценочного расчёта будем рассматривать сосуд цилиндрической формы радиусом r = 7×10 ­ 2 м и высотой h = 0,2 м, в котором помещается V = 5 л воды (m = 5 кг). Удельную теплоёмкость воды примем равной с @ 4200 Дж/кг×К, начальную температуру воды равной Т1 = 360 К, конечную ­ 300 К.

 2. Определим количество тепла, необходимого для нагревания V1 = 5 л и V2 = 1 л воды

  , (1)

где DТ = Т1 ­ Т2.

 3. Воспользовавшись уравнением теплопроводности, определим время остывания выбранных объёмов воды. Коэффициент теплоотдачи воды алюминиевой стенке примем равным a @ 465 Вт/(м2×К), площадь через которую происходит передача тепла, примем равной s =2p(rh + r2)@ 6×10 ­ 3 м2

   (2)

 4. Таким образом, полный сосуд запасает большее количество тепла, которое дольше рассеивается в окружающее пространство, т.е. теплоёмкость тела при прочих равных условиях тем больше, чем больше его масса.

 2.3.45. В системах отопления и охлаждения большинства инженерных конструкций в качестве жидкого теплоносителя используется вода. Почему именно вода, а не другие вещества.

  Решение

 1. Общее количество тепла, необходимое для изменения температуры тела от Т1 до Т2 определяется известным уравнением

 , (1)

где С ­ теплоёмкость тела. Применительно к единице массы уравнение (1) записывается следующим образом

  . (2)

 2. Как видно из уравнения (2) процесс получения или отдачи тепла единицей массы вещества определяется температурным диапазоном, который задаётся по техническим условиям, и удельной теплоёмкости вещества. Если теплоёмкость вещества не зависит от температуры, то уравнение (2) после интегрирования принимает вид

 . (3)

 3. Приведём далее величины удельной теплоёмкости некоторых распространённых жидкостей

Жидкость

Температура,0С

с, кДж/(кг×К)

Ацетон

20

2,160

Бензин

10

1,42

Вода

20

4,182

Вода морская

17

3,936

Глицерин

20

2,43

Керосин

20 – 100

2,085

Масло трансформаторное

0 – 100

1,88

Ртуть

20

0,1390

Серная кислота (100%)

20

1,38

Спирт метиловый

20

2,47

Спирт этиловый

20

2,47

Фреон - 12

20

2,01

Как видно из таблицы, вода обладает наибольшей удельной теплоёмкостью, что и делает её самым эффективным и распространённым теплоносителем. Широкому распространению воды в этом качестве способствует её доступность и абсолютная экологическая безопасность.

  2.3.47. Почему в пустынях наблюдаются значительные суточные колебания температуры, а в прибрежных морских районах дневные и ночные температуры отличаются не столь значительно?.

 Решение

 1. Через площадь s за время t передаётся количество тепла, определяемое уравнением

  , (1)

где l ­ коэффициент теплопроводности,   ­ градиент температуры в направлении теплового потока. Отрицательный знак указывает, что поток тепла направлен в сторону понижения температуры. Применительно к песчаной или водной поверхности в дневное время он направлен из воздуха в среду, в ночное время в отсутствие источника тепла, наоборот, из среды в воздух.

 2. Уравнение (1) показывает, что при прочих равных условиях количество получаемого или отдаваемого тепла зависит от коэффициента теплопроводности среды. Песок обладает коэффициентом теплопроводности l1 @ 0,03 Вт/(м×К), а вода ­ l2 @ 0,54 Вт/(м×К). Теплопроводность воды в 18 раз выше, чем у песка.

 3. Количество тепла, необходимое для изменения температуры единицы массы вещества, определяется уравнением

  . (2)

Как уже отмечалось в предыдущих задачах, удельная теплоёмкость воды с1 @ 4200 Дж/(кг×К), в то время как для песка с2 @ 796 Дж/(кг×К), т.е. удельная теплоёмкость воды более чем в 5 раз выше.

 4. Таким образом единичные объёмы песка будут нагреваться быстрее чем объёмы воды, но и более быстро будут отдавать тепло воздуху. На рисунке приведена качественная зависимость количество отдаваемого тепла от времени.


Физика примеры решения задач