Номер 5, страница 244 - гдз по физике 10 класс учебник Хижнякова, Синявина

Молекулярная физика. Глава 9. Основы термодинамики. Параграф 44. КПД тепловых двигателей. Второй закон термодинамики. Цикл Карно. Вопросы - номер 5, страница 244.

Условие.

5. Что представляет собой цикл Карно?

Решение.

Цикл Карно — это идеальный обратимый круговой термодинамический процесс, состоящий из четырех последовательных стадий, который описывает наиболее эффективный способ преобразования тепла в работу или, в обратном направлении, для переноса тепла от холодного тела к горячему (как в холодильных машинах). Этот цикл был предложен французским инженером Сади Карно в 1824 году и имеет фундаментальное значение в термодинамике, поскольку его коэффициент полезного действия (КПД) является максимально возможным для любой тепловой машины, работающей между двумя тепловыми резервуарами с постоянными температурами.

Рабочим телом в цикле Карно обычно рассматривается идеальный газ. Цикл состоит из четырех обратимых процессов, которые происходят последовательно:

1. Изотермическое расширение. Газ находится в контакте с горячим резервуаром (нагревателем) с температурой $T_H$. Газ медленно расширяется, совершая работу над окружающей средой. Чтобы температура газа оставалась постоянной, ему сообщается количество теплоты $Q_H$ от нагревателя.

2. Адиабатное расширение. Газ теплоизолируют от обоих резервуаров. Он продолжает расширяться и совершать работу. Поскольку теплообмен с окружающей средой отсутствует ($Q=0$), внутренняя энергия газа уменьшается, и его температура падает от $T_H$ до температуры холодного резервуара (холодильника) $T_C$.

3. Изотермическое сжатие. Газ приводится в контакт с холодным резервуаром с температурой $T_C$. Внешние силы сжимают газ, совершая над ним работу. Чтобы температура газа оставалась постоянной, он отдает холодильнику количество теплоты $Q_C$.

4. Адиабатное сжатие. Газ снова теплоизолируют. Он продолжает сжиматься под действием внешних сил. Поскольку теплообмен отсутствует ($Q=0$), внутренняя энергия газа увеличивается, и его температура повышается от $T_C$ обратно до исходной температуры $T_H$. Система возвращается в начальное состояние.

За один цикл рабочее тело совершает полезную работу $A = Q_H - Q_C$. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины Карно определяется как отношение совершенной работы к полученному от нагревателя количеству теплоты: $\eta = \frac{A}{Q_H} = \frac{Q_H - Q_C}{Q_H} = 1 - \frac{Q_C}{Q_H}$.

Для идеального цикла Карно было доказано, что отношение отданной теплоты к полученной равно отношению абсолютных температур холодильника и нагревателя: $\frac{Q_C}{Q_H} = \frac{T_C}{T_H}$. Таким образом, КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника и вычисляется по формуле:

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

Этот КПД является максимально достижимым для любой тепловой машины, работающей между данными температурами. Любая реальная тепловая машина будет иметь КПД ниже, чем у машины Карно, из-за необратимых процессов, таких как трение и теплопередача при конечной разности температур.

Ответ: Цикл Карно — это идеальный термодинамический цикл, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов. Он описывает работу наиболее эффективной тепловой машины, КПД которой является предельно возможным при заданных температурах нагревателя и холодильника.