Номер 11, страница 265 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Молекулярная физика и термодинамика. Глава 6. Термодинамика. Параграф 32. Тепловые двигатели, холодильники и кондиционеры - номер 11, страница 265.

Условие.

11. Сравните тепловой двигатель с бытовым холодильником: что у них общего и чем они различаются?

Решение.

Что у них общего

Тепловой двигатель и бытовой холодильник, несмотря на противоположные задачи, имеют ряд общих черт, так как оба являются тепловыми машинами.

1. Принцип работы: Оба устройства работают по циклическому принципу. Рабочее тело (газ или специальная жидкость-хладагент) совершает замкнутый термодинамический цикл, возвращаясь в исходное состояние.

2. Основные элементы: В конструкции обоих устройств присутствуют три основных элемента: нагреватель (тепловой резервуар с более высокой температурой $T_H$), холодильник (тепловой резервуар с более низкой температурой $T_C$) и рабочее тело.

3. Энергетический баланс: Для обоих устройств справедлив первый закон термодинамики для цикла, который связывает количество теплоты, полученное от нагревателя ($Q_H$), количество теплоты, отданное холодильнику ($Q_C$), и совершенную (или затраченную) работу ($\text{A}$). Соотношение для модуля величин: $|Q_H| = |Q_C| + |A|$.

4. Подчинение второму закону термодинамики: Работа обоих устройств подчиняется второму закону термодинамики. Это означает, что тепловой двигатель не может превратить в работу всю теплоту, полученную от нагревателя (КПД всегда меньше 100%), а холодильник не может переносить теплоту от холодного тела к горячему без затрат работы извне.

Ответ: Общими для теплового двигателя и холодильника являются циклический принцип работы, наличие нагревателя, холодильника и рабочего тела, а также подчинение первому и второму законам термодинамики.

Чем они различаются

Ключевые различия между тепловым двигателем и холодильником заключаются в их назначении и направлении термодинамических процессов.

1. Назначение и направление процесса:
- Тепловой двигатель предназначен для преобразования внутренней энергии (теплоты) в механическую работу. Он забирает теплоту $Q_H$ от горячего тела (нагревателя), совершает полезную работу $\text{A}$ и отдает оставшуюся теплоту $Q_C$ холодному телу (холодильнику). Этот процесс идет в «естественном» направлении – от горячего к холодному.
- Холодильник (холодильная машина) предназначен для переноса теплоты от более холодного тела к более горячему. Он забирает теплоту $Q_C$ из охлаждаемого объема (холодильной камеры), над ним совершается работа $\text{A}$ внешними силами (компрессором), и он отдает суммарную теплоту $Q_H = Q_C + A$ более горячему телу (окружающей среде). Этот процесс является обратным по отношению к процессу в тепловом двигателе и не может протекать самопроизвольно.

2. Преобразование энергии:
- В двигателе тепловая энергия превращается в работу. Полезным результатом является работа $\text{A}$.
- В холодильнике работа затрачивается для переноса теплоты. Полезным результатом является отвод теплоты $Q_C$ от холодного тела.

3. Показатель эффективности:
- Эффективность теплового двигателя характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД): $\eta = \frac{A}{Q_H}$. КПД всегда меньше единицы ($\eta < 1$).
- Эффективность холодильника характеризуется холодильным коэффициентом (коэффициентом производительности): $\varepsilon = \frac{Q_C}{A}$. Холодильный коэффициент обычно больше единицы ($\varepsilon > 1$).

Ответ: Различия заключаются в назначении (двигатель производит работу, холодильник переносит теплоту), направлении процесса (в двигателе теплота идет от горячего к холодному телу для совершения работы, в холодильнике — от холодного к горячему за счет совершения работы) и показателе эффективности (КПД для двигателя, холодильный коэффициент для холодильника).