Номер 7, 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 7, страница 265.

Условие.

7. Зачем нужны нагреватель и холодильник при работе теплового двигателя?

Решение.

Тепловой двигатель — это устройство, которое циклически преобразует тепловую энергию в механическую работу. Для его функционирования принципиально необходимо наличие двух тепловых резервуаров с разными температурами — нагревателя и холодильника, а также рабочего тела, которое совершает работу.

Нагреватель является источником энергии. Это тело или система с высокой температурой $T_1$, от которого рабочее тело (например, газ или пар) получает количество теплоты $Q_1$. За счет этой подведенной теплоты внутренняя энергия рабочего тела увеличивается, оно расширяется и совершает механическую работу (например, двигает поршень). Без нагревателя у двигателя не было бы энергии, которую можно было бы преобразовать в работу.

Холодильник необходим для того, чтобы обеспечить возможность непрерывной, циклической работы двигателя. Согласно второму началу термодинамики, невозможно преобразовать в работу всю теплоту, полученную от нагревателя. Часть теплоты должна быть передана более холодному телу. Холодильник — это и есть это тело (окружающая среда) с низкой температурой $T_2$. Чтобы рабочее тело могло вернуться в исходное состояние и начать новый цикл, оно должно охладиться и сжаться, отдав холодильнику некоторое количество теплоты $Q_2$. Если бы холодильника не было, рабочий цикл был бы невозможен; двигатель, совершив работу при однократном расширении, остановился бы.

Таким образом, наличие разности температур между нагревателем ($T_1$) и холодильником ($T_2$) является ключевым условием для совершения полезной работы $A = Q_1 - Q_2$ в тепловом двигателе.

Ответ: Нагреватель необходим как источник энергии, он передает рабочему телу количество теплоты ($Q_1$), которое частично преобразуется в механическую работу. Холодильник необходим для замыкания термодинамического цикла: он отбирает у рабочего тела "избыточное" количество теплоты ($Q_2$), что позволяет рабочему телу вернуться в исходное состояние для непрерывного повторения цикла.