Темы докладов, страница 215 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

Обоснование невозможности создания вечного двигателя.

Невозможность создания вечного двигателя (лат. Perpetuum Mobile) обосновывается фундаментальными законами физики, в частности, законами термодинамики. Различают два типа гипотетических вечных двигателей, и для каждого из них существует свое обоснование невозможности.

Вечный двигатель первого рода

Решение

Вечный двигатель первого рода — это гипотетическое устройство, которое, будучи один раз запущено, совершало бы работу бесконечно долго, не потребляя энергии извне. Фактически, такая машина должна была бы производить энергию из ничего.
Невозможность создания такого двигателя напрямую следует из первого начала термодинамики, которое является формулировкой всеобщего закона сохранения энергии. Этот закон утверждает, что энергия не может быть создана или уничтожена, она может только переходить из одной формы в другую.
Для любой термодинамической системы первое начало записывается как: $Q = \Delta U + A'$
где $\text{Q}$ — количество теплоты, подведенное к системе, $\Delta U$ — изменение внутренней энергии системы, а $A'$ — работа, совершенная системой над внешними телами.
Чтобы двигатель работал "вечно" и совершал работу ($A' > 0$), он должен делать это без подвода энергии извне ($Q \le 0$). Если двигатель работает циклически, то его состояние периодически повторяется, а значит, суммарное изменение внутренней энергии за цикл равно нулю ($\Delta U = 0$). В этом случае уравнение принимает вид $Q = A'$. Если работа положительна ($A' > 0$), то и теплота $\text{Q}$ должна быть положительной, то есть система должна получать энергию извне. Если же система изолирована ($Q = 0$), то работа может совершаться только за счет уменьшения внутренней энергии ($A' = -\Delta U$). Однако запас внутренней энергии любого тела конечен, и после его исчерпания двигатель остановится.
Таким образом, любая машина, совершающая работу, должна либо потреблять энергию из внешнего источника, либо расходовать свой внутренний запас энергии, который не бесконечен.

Ответ: Создание вечного двигателя первого рода невозможно, так как это противоречит фундаментальному закону сохранения энергии (первому началу термодинамики). Нельзя получить работу из ничего.

Вечный двигатель второго рода

Решение

Вечный двигатель второго рода — это гипотетическая тепловая машина, которая бы совершала работу, получая теплоту от одного-единственного источника (теплового резервуара) и полностью преобразуя эту теплоту в работу. Такое устройство не нарушало бы закон сохранения энергии, так как не создает энергию, а лишь преобразует ее. Однако его существование запрещено вторым началом термодинамики.
Одна из формулировок второго начала термодинамики (постулат Кельвина-Планка) гласит: невозможен циклический процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения одного теплового резервуара.
Это означает, что для работы любой тепловой машины необходимо наличие как минимум двух тепловых резервуаров с разными температурами — нагревателя и холодильника. Двигатель получает количество теплоты $Q_1$ от нагревателя (с температурой $T_1$), превращает часть этой теплоты в полезную работу $A'$, а оставшуюся часть теплоты $Q_2$ обязательно отдает холодильнику (с более низкой температурой $T_2$).
Коэффициент полезного действия (КПД) такой машины равен: $\eta = \frac{A'}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}$
Поскольку по второму началу термодинамики теплота, отдаваемая холодильнику, не может быть равна нулю ($Q_2 > 0$), КПД любой реальной тепловой машины всегда меньше 100% ($\eta < 1$). Вечный двигатель второго рода предполагал бы, что $Q_2 = 0$, а значит $\eta = 1$, что невозможно.
На микроскопическом уровне это связано с тем, что тепловая энергия представляет собой энергию хаотического движения частиц. Превратить эту хаотическую энергию полностью в упорядоченную энергию (механическую работу) невозможно без "сброса" части неупорядоченности (тепла) в более холодную среду. Кроме того, в любой реальной системе существуют необратимые процессы, такие как трение и вязкость, которые приводят к диссипации (рассеянию) механической энергии и ее превращению в тепло, которое уходит в окружающую среду, останавливая движение.

Ответ: Создание вечного двигателя второго рода невозможно, так как это противоречит второму началу термодинамики. Нельзя построить тепловую машину с КПД 100%, которая бы превращала в работу всю энергию, полученную от единственного источника тепла.