Номер 10, страница 271 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Молекулярная физика и термодинамика. Глава 6. Термодинамика. Параграф 33. Второй закон термодинамики. Охрана окружающей среды - номер 10, страница 271.

Условие.

10. Расскажите о «вечном двигателе» второго рода. Какой закон природы делает его невозможным?

Решение.

О «вечном двигателе» второго рода

Вечный двигатель второго рода — это воображаемая (гипотетическая) тепловая машина, которая, работая циклически, совершала бы механическую работу за счёт охлаждения только одного теплового резервуара. Иными словами, это устройство, которое способно полностью преобразовывать в работу всю теплоту, полученную от единственного источника (например, от океана или атмосферного воздуха), не производя никаких других изменений в окружающей среде. Такой двигатель не противоречит первому началу термодинамики (закону сохранения энергии), поскольку он не создаёт энергию из ничего, а лишь преобразует её из одной формы (тепловой) в другую (механическую). Однако его существование нарушает более фундаментальные принципы природы.

Закон природы, делающий его невозможным

Существование вечного двигателя второго рода невозможно согласно второму началу (закону) термодинамики. Одна из его формулировок (постулат Кельвина) прямо гласит: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара.

Второе начало термодинамики вводит понятие направленности тепловых процессов. Для преобразования теплоты в работу необходим не один, а как минимум два тепловых резервуара с разными температурами — нагреватель и холодильник. Тепловая машина может совершать работу, только получая количество теплоты $Q_H$ от горячего тела (нагревателя с температурой $T_H$) и передавая часть этой теплоты $Q_C$ более холодному телу (холодильнику с температурой $T_C$). Совершённая работа при этом равна $A = Q_H - Q_C$.

Коэффициент полезного действия (КПД) любой тепловой машины всегда меньше 100%. Даже для идеальной машины, работающей по циклу Карно, максимальный КПД определяется соотношением абсолютных температур нагревателя и холодильника:

$\eta_{max} = \frac{T_H - T_C}{T_H} = 1 - \frac{T_C}{T_H}$

Из формулы видно, что КПД мог бы быть равен 100% ($\eta = 1$) только в том случае, если бы температура холодильника была равна абсолютному нулю ($T_C = 0$ К), что недостижимо (согласно третьему началу термодинамики). Таким образом, невозможно полностью превратить хаотичное тепловое движение молекул (теплоту) в упорядоченное движение (механическую работу) без "сброса" части теплоты в более холодную среду. Это фундаментальное ограничение и делает вечный двигатель второго рода невозможным.

Ответ: Вечный двигатель второго рода — это гипотетическая машина, которая бы преобразовывала в работу всю теплоту, полученную от одного источника (теплового резервуара). Его создание невозможно, так как оно противоречит второму началу термодинамики. Этот закон утверждает, что для преобразования теплоты в работу необходим перепад температур, то есть наличие как минимум двух тел с разной температурой (нагревателя и холодильника), и часть теплоты от нагревателя обязательно должна передаваться холодильнику.