Номер 4, страница 93 - гдз по физике 10 класс учебник Казахбаева, Кронгарт

4. Что такое вечный двигатель второго рода?

4. Что такое вечный двигатель второго рода?

Вечный двигатель второго рода (лат. perpetuum mobile secundi generis) — это воображаемая тепловая машина, которая, работая циклически, была бы способна полностью преобразовывать в механическую работу всю теплоту, получаемую от одного-единственного теплового резервуара.

Такое устройство не нарушает первый закон термодинамики (закон сохранения энергии), поскольку работа совершается не из ничего, а за счет внутренней энергии окружающих тел (например, за счет охлаждения атмосферы или мирового океана). Однако создание вечного двигателя второго рода невозможно, так как его работа противоречила бы второму закону термодинамики.

Второй закон термодинамики, в формулировке Кельвина (или Томсона), гласит: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара.

Это означает, что для непрерывного превращения теплоты в работу любой тепловой машине необходимы как минимум два тепловых резервуара с разными температурами:

1. Нагреватель (горячий резервуар с температурой $T_1$), от которого машина получает количество теплоты $Q_1$.

2. Холодильник (холодный резервуар с температурой $T_2$, где $T_2 < T_1$), которому машина отдает некоторое количество теплоты $Q_2$.

Совершаемая машиной полезная работа равна разности полученной и отданной теплоты: $A = Q_1 - Q_2$. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины определяется как отношение совершенной работы к полученной теплоте: $\eta = \frac{A}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}$.

Вечный двигатель второго рода предполагал бы, что вся теплота от нагревателя превращается в работу, то есть холодильник не нужен и $Q_2 = 0$. В этом случае КПД был бы равен 100% ($\eta = 1$). Однако, согласно теореме Карно, КПД любой тепловой машины не может превышать КПД идеальной машины Карно, который равен $\eta_{Карно} = 1 - \frac{T_2}{T_1}$. Для достижения 100% эффективности потребовалось бы, чтобы температура холодильника $T_2$ была равна абсолютному нулю ($0$ К), что является недостижимым на практике (согласно третьему закону термодинамики).

Таким образом, любой циклически работающий двигатель должен обязательно отдавать часть полученной теплоты более холодному телу (холодильнику), и эта часть энергии не может быть преобразована в работу.

Ответ: Вечный двигатель второго рода — это гипотетический двигатель, который нарушает второй закон термодинамики, поскольку он должен был бы преобразовывать в полезную работу 100% теплоты, получаемой от единственного теплового резервуара, что невозможно.