Номер 4, страница 324 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Вопросы. Параграф 58. Второй закон термодинамики. Необратимость процессов в природе. Глава 8. Тепловые машины. Второй закон термодинамики. Молекулярная физика и термодинамика - номер 4, страница 324.

Условие.

4. Какие устройства называют вечными двигателями первого и второго рода?

Решение.

Вечный двигатель первого рода

Это воображаемая машина, которая могла бы совершать работу бесконечно долго, не получая энергии извне. Такой двигатель нарушал бы первое начало термодинамики (закон сохранения энергии), которое гласит, что энергия не может быть создана из ничего или уничтожена. Согласно первому началу термодинамики, количество теплоты $ Q $, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии $ \Delta U $ и на совершение системой работы $ A $ против внешних сил: $ Q = \Delta U + A $. В циклическом процессе, который должен выполнять любой двигатель, изменение внутренней энергии равно нулю ($ \Delta U = 0 $), поэтому $ Q = A $. Вечный двигатель первого рода должен был бы совершать работу ($ A > 0 $) без подвода энергии извне ($ Q = 0 $), что противоречит закону.

Ответ: Вечный двигатель первого рода — это гипотетическое устройство, которое совершало бы работу без потребления энергии, нарушая тем самым закон сохранения энергии (первое начало термодинамики).

Вечный двигатель второго рода

Это воображаемая тепловая машина, которая, работая циклически, преобразовывала бы в механическую работу всю теплоту, полученную от одного источника (нагревателя). Такая машина не нуждалась бы в холодильнике — более холодном теле, которому передается часть теплоты, не превращенной в работу. Создание такого двигателя противоречит второму началу термодинамики. Оно, в формулировке Кельвина, утверждает, что невозможно создать циклический процесс, единственным результатом которого было бы превращение всей теплоты, полученной от нагревателя, в работу. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины определяется как $ \eta = \frac{A}{Q_н} = \frac{Q_н - |Q_х|}{Q_н} = 1 - \frac{|Q_х|}{Q_н} $, где $ Q_н $ — теплота, полученная от нагревателя, а $ Q_х $ — теплота, отданная холодильнику. Для вечного двигателя второго рода количество теплоты, отданное холодильнику, $ |Q_х| $ должно быть равно нулю, что привело бы к КПД, равному $ 100\% $. Однако КПД любой реальной тепловой машины всегда меньше $ 100\% $.

Ответ: Вечный двигатель второго рода — это гипотетическое устройство, которое превращало бы в работу всю тепловую энергию, извлекаемую из одного теплового резервуара, что нарушает второе начало термодинамики.