Номер 1, страница 311 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Вопросы. Параграф 55. Принцип действия тепловых машин. Глава 8. Тепловые машины. Второй закон термодинамики. Молекулярная физика и термодинамика - номер 1, страница 311.

Условие.

1. Опишите схему работы теплового двигателя.

Решение.

1. Решение

Тепловой двигатель — это устройство, которое циклически преобразует тепловую энергию в механическую работу. Принцип его работы основан на законах термодинамики. Схема работы любого теплового двигателя включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело и холодильник.

Нагреватель — это источник энергии с высокой температурой $T_1$. От него рабочее тело получает количество теплоты $Q_1$ для совершения работы. В двигателях внутреннего сгорания роль нагревателя выполняет сгорающее топливо.

Рабочее тело — это вещество, обычно газ или пар, которое непосредственно совершает работу. При получении тепла от нагревателя рабочее тело расширяется, приводя в движение механизмы двигателя (например, поршень).

Холодильник — это тело или среда с более низкой температурой $T_2$. Ему рабочее тело отдает неиспользованную часть тепловой энергии в виде количества теплоты $Q_2$. В большинстве случаев роль холодильника играет окружающая среда. Наличие холодильника необходимо для того, чтобы рабочее тело могло вернуться в исходное состояние (сжаться) и начать новый цикл работы.

Процесс работы теплового двигателя является циклическим. В ходе одного цикла происходят следующие процессы:
1. Рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты $Q_1$.
2. За счет полученной энергии рабочее тело расширяется и совершает полезную механическую работу $A$.
3. Для замыкания цикла и возвращения в исходное состояние рабочее тело отдает холодильнику количество теплоты $Q_2$.

Согласно первому закону термодинамики (закону сохранения энергии), совершенная за цикл работа $A$ равна разности между количеством теплоты, полученным от нагревателя, и количеством теплоты, отданным холодильнику:

$A = Q_1 - Q_2$

Важнейшей характеристикой теплового двигателя является его коэффициент полезного действия (КПД), обозначаемый буквой $\eta$. КПД показывает, какая доля теплоты, полученной от нагревателя, превращается в полезную работу. Он рассчитывается по формуле:

$\eta = \frac{A}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}$

Из второго закона термодинамики следует, что невозможно создать тепловой двигатель, у которого КПД был бы равен 100%, так как для замыкания цикла необходимо передать часть тепла холодильнику ($Q_2 > 0$). Максимально возможный КПД для тепловой машины, работающей с нагревателем температуры $T_1$ и холодильником температуры $T_2$ (температуры должны быть выражены в кельвинах), — это КПД идеального цикла Карно:

$\eta_{max} = 1 - \frac{T_2}{T_1}$

Таким образом, схема работы теплового двигателя заключается в циклическом процессе, в котором рабочее тело забирает тепло у горячего источника, часть этой тепловой энергии превращает в механическую работу, а оставшуюся, неиспользованную часть, отдает холодному источнику.

Ответ: Схема работы теплового двигателя основана на циклическом преобразовании тепловой энергии в механическую. Она включает три основных элемента: 1) нагреватель (источник тепла с температурой $T_1$), который передает рабочему телу количество теплоты $Q_1$; 2) рабочее тело (газ или пар), которое, получая тепло, расширяется и совершает механическую работу $A$; 3) холодильник (окружающая среда с температурой $T_2 < T_1$), которому рабочее тело отдает неиспользованное количество теплоты $Q_2$, чтобы вернуться в исходное состояние и начать новый цикл. Совершенная работа определяется как $A = Q_1 - Q_2$, а коэффициент полезного действия (КПД) как $\eta = A / Q_1$. Необходимость отдавать тепло холодильнику ($Q_2 > 0$) обусловлена вторым законом термодинамики и не позволяет создать двигатель с КПД 100%.