Sprawdź się

Pokaż ćwiczenia:

RDoWINaQXN22C1

Ćwiczenie 1

Uzupełnij zdanie:

W cyklu spalinowego silnika czterosuwowego zyskujemy energię podczas suwu {sprężania} / {#pracy}.

R1bRh3O2anhs21

Ćwiczenie 2

Uzupełnij zdanie:

W cylindrze spalinowego silnika czterosuwowego ciśnienie jest stałe podczas suwu: {#ssania}/{sprężania}/{pracy}/{#wydechu}, a zwiększa się podczas suwu: {ssania}/{#sprężania}/{pracy}/{wydechu}.

RSoWenD3HmNyb1

Ćwiczenie 3

Wybierz prawdziwe stwierdzenie:

W suwie sprężania gaz podlega przemianie izotermicznej.
W suwie sprężania gaz podlega przemianie adiabatycznej.
W suwie sprężania gaz podlega przemianie izobarycznej.

RqFZWezSKRwRL1

Ćwiczenie 4

Zaznacz, które z poniższych stwierdzeń nie są prawdziwe:

W suwie wydechu ciśnienie w cylindrze maleje.
W suwie wydechu ciśnienie w cylindrze rośnie.
W suwie wydechu ciśnienie w cylindrze jest stałe.

Ćwiczenie 5

R1JggD5QYUhcw

Dokończ zdanie:

Czterocylindrowy silnik to czterosuwowy silnik spalinowy, w którym pracują cztery jednakowe cylindry. Aby zapewnić płynność pracy silnika, ...

cykl pracy każdego cylindra powinien rozpoczynać się w tym samym momencie.
cykle pracy kolejnych cylindrów powinny być opóźnione o ¼ czasu trwania cyklu.
cykle pracy kolejnych cylindrów powinny być opóźnione o ½ czasu trwania cyklu.

Uzasadnij swoją odpowiedź.

Ćwiczenie 6

Poniższa ilustracja przedstawia cykl Otta, który odpowiada cyklowi pracy czterosuwowego silnika benzynowego. Odpowiedz, jak zmienia się temperatura w cylindrze w przemianie 3 → 4 i w przemianie 4 → 5. Jaka jest przyczyna tych zmian w silniku spalinowym?

R6ahKEhWUlig6

Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Ćwiczenie 6

Podczas sprężania tłok przemieszcza się w górę cylindra ściskając mieszankę paliwa i powietrza. Takie sprężanie następuje pod ogromnym ciśnieniem, nawet do jednej dziesiątej początkowej objętości mieszanki. W ten sposób tłok osiąga punkt martwy i dochodzi do zapłonu. Ale, jak silnik zostaje wprowadzony w tryb pracy?

Ćwiczenie 7

Sprawność silnika cieplnego równa jest stosunkowi pracy wykonanej w jednym cyklu do ciepła pobranego. Przeanalizuj termodynamiczny cykl Otta, odpowiadający cyklowi pracy czterosuwowego silnika benzynowego i odpowiedz, jakie zmiany w rozmiarach cylindra prowadzą do zwiększenia sprawności silnika.

Aby zwiększyć pole powierzchni między wykresami przemian, które to pole odpowiada wartości pracy wykonanej w jednym cyklu, należy zwiększyć objętość VIndeks dolny 2, a zmniejszyć VIndeks dolny 1 . Innymi słowy, należy zwiększyć stopień sprężania silnika: $\frac{V_{2}}{V_{1}}$ .

Uwaga : Stopnia sprężania silnika benzynowego nie można zwiększać dowolnie, bo w czasie sprężania adiabatycznego 2 → 3 dochodzi do bardzo dużego wzrostu temperatury, w wyniku czego może nastąpić spontaniczny wybuch mieszanki paliwowej, tak zwany samozapłon, który jest szkodliwy dla silnika. Współczesne silniki z zapłonem iskrowym charakteryzują się stopniem sprężania pomiędzy 7,5 a 14.

Ćwiczenie 7

Dlaczego silniki pracują równiej, kiedy mają więcej cylindrów?

Ćwiczenie 8

Pokaż, że sprawność cyklu Otta, w którym czynnikiem roboczym jest jednoatomowy gaz doskonały, jest opisana wzorem:

η = 1 - {(\frac{V_{k}}{V_{p}})}^{\frac{2}{3}},

gdzie $V_{k}$ i $V_{p}$ , przy czym $V_{k} < V_{p}$ , oznaczają charakterystyczne objętości gazu.

Wskazówki:

W przemianie izochorycznej, podczas której objętość gazu nie zmienia się, gaz może pobrać ciepło z otoczenia (wówczas rozpręża się) lub oddać ciepło do otoczenia (wtedy się spręża). Podczas przemiany izochorycznej praca jest równa zero.
W przemianie adiabatycznej gaz nie wymienia ciepła z otoczeniem, ale jego stan może się zmienić w wyniku pracy, którą gaz wykonuje nad otoczeniem, bądź otoczenie nad gazem.
Ciepło wymienione między układem i otoczeniem podczas przemiany izochorycznej wynosi: $Q = n \cdot c_{p} (T_{k} - T_{p}),$ gdzie $n$ - liczba moli gazu, $c_{p}$ - ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, $T_{p}$ i $T_{k}$ temperatury: początkowa i końcowa gazu.
Równanie adiabaty gazu doskonałego ma postać: $T V^{\frac{2}{3}} = c o n s t$ .

RGMk8caRV7aeP

Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Sprawność silnika cieplnego równa jest stosunkowi pracy $W$ wykonanej w jednym cyklu do ciepła $Q^{+}$ pobranego podczas cyklu: $η = \frac{W}{Q^{+}}$ .
Zauważ, że jeśli podczas cyklu nie ma strat energii, wówczas z pierwszej zasady termodynamiki wynika, że $W = Δ Q = Q^{+} - Q^{-}$ , gdzie $Q^{-}$ jest ciepłem oddanym do otoczenia. Wynika stąd, że $η = 1 - \frac{Q^{-}}{Q^{+}}$ .

W nawiązaniu do podpowiedzi, wystarczy pokazać, że: $\frac{Q^{-}}{Q^{+}} = {(\frac{V_{k}}{V_{p}})}^{\frac{2}{3}}$ .

Aby to pokazać zauważmy, że $Q^{+}$ jest ciepłem pobranym przez gaz podczas izochorycznej przemiany 2 → 3, tj. $Q^{+} = n \cdot c_{p} \cdot (T_{3} - T_{2})$ , zaś $Q^{-}$ jest ciepłem oddanym podczas izochorycznej przemiany 4 → 1, tj. $Q^{-} = n \cdot c_{p} \cdot (T_{4} - T_{1})$ (indeksy przy temperatury wskazują, do których punktów na rysunku temperatura się odnosi). Dostajemy stąd:

η = 1 - \frac{T_{4} - T_{1}}{T_{3} - T_{2}} .

Wyrażenie to można dalej przekształcić korzystając z równania adiabaty: $T V^{\frac{2}{3}} = c o n s t$ . Dla dolnej adiabaty 1 → 2 mamy bowiem:

T_{1} {(V_{p})}^{\frac{2}{3}} = T_{2} {(V_{k})}^{\frac{2}{3}} = c o n s t_{1 \to 2}

a dla górnej (3 → 4):

T_{4} {(V_{p})}^{\frac{2}{3}} = T_{3} {(V_{k})}^{\frac{2}{3}} = c o n s t_{3 \to 4}

Odejmując te równania stronami dostajemy następujące wyrażenie:

(T_{4} - T_{1}) {(V_{p})}^{\frac{2}{3}} = (T_{3} - T_{2}) {(V_{k})}^{\frac{2}{3}},

które łatwo można przekształcić do szukanej postaci:

(T_{4} - T_{1}) {(V_{p})}^{\frac{2}{3}} = (T_{3} - T_{2}) {(V_{k})}^{\frac{2}{3}},

Animacja

Dla nauczyciela