Номер 2, страница 288 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Вопросы. Параграф 59. Тепловые двигатели. 10. Термодинамика. Молекулярная физика - номер 2, страница 288.

Условие.

2. Почему наличие нагревателя и холодильника является необходимым условием для циклического совершения полезной механической работы в тепловом двигателе?

Решение.

Тепловой двигатель — это устройство, которое циклически преобразует тепловую энергию в механическую работу. Для того чтобы работа, совершаемая двигателем за один цикл, была положительной (полезной), необходимо, чтобы работа, совершённая рабочим телом (например, газом) при расширении, была больше работы, совершённой над газом при его сжатии для возвращения в исходное состояние. Это условие выполняется только при наличии двух тепловых резервуаров с разными температурами — нагревателя и холодильника.

Роль нагревателя. Нагреватель является источником тепла с высокой температурой $T_1$. Он передает рабочему телу количество теплоты $Q_1$. Получив эту энергию, газ нагревается, его внутренняя энергия и давление растут, он расширяется и совершает положительную механическую работу.

Роль холодильника. Чтобы двигатель мог работать непрерывно (циклически), рабочее тело после расширения должно вернуться в свое первоначальное состояние, то есть его нужно сжать. Если сжимать газ при той же высокой температуре $T_1$, при которой он расширялся, то работа, затраченная на сжатие, будет равна работе, полученной при расширении, и полезная работа за цикл окажется равной нулю (в идеальном случае). Чтобы работа сжатия была меньше работы расширения, сжатие должно происходить при более низкой температуре. Для этого рабочее тело должно отдать часть своей тепловой энергии. Эту функцию выполняет холодильник — тепловой резервуар с более низкой температурой $T_2$, которому рабочее тело отдает количество теплоты $Q_2$. Охладившись, газ сжимается с меньшими затратами работы.

Таким образом, за цикл рабочее тело получает от нагревателя теплоту $Q_1$ и отдает холодильнику теплоту $Q_2$. Полезная работа, согласно первому закону термодинамики для циклического процесса (изменение внутренней энергии $\Delta U = 0$), равна разности этих количеств теплоты: $A = Q_1 - Q_2$.

Невозможность создания теплового двигателя без холодильника также является следствием второго закона термодинамики (постулат Кельвина), который утверждает, что невозможен процесс, единственным результатом которого было бы превращение в работу всей теплоты, полученной от нагревателя. Часть теплоты ($Q_2 > 0$) обязательно должна быть передана более холодному телу (холодильнику).

Ответ: Наличие нагревателя и холодильника является необходимым условием, так как для циклического совершения полезной работы нужно, чтобы рабочее тело совершало работу при расширении при высокой температуре (получая тепло $Q_1$ от нагревателя) и чтобы над ним совершалась меньшая работа при сжатии при низкой температуре (отдавая тепло $Q_2$ холодильнику). Разность температур позволяет получить положительную полезную работу за цикл, равную $A = Q_1 - Q_2$. Без холодильника невозможно было бы вернуть рабочее тело в исходное состояние с меньшими затратами работы и, следовательно, получить полезную работу в циклическом процессе.