Номер 3, страница 97 - гдз по физике 10 класс учебник Казахбаева, Кронгарт

3. Назовите основные части любого теплового двигателя. Какова принципиальная схема работы двигателей?

3. Назовите основные части любого теплового двигателя. Какова принципиальная схема работы двигателей?

Любой тепловой двигатель, вне зависимости от его конкретной конструкции, принципиально состоит из трех основных частей:

1. Нагреватель – это система или источник с высокой температурой $T_1$, который передает количество теплоты $Q_1$ рабочему телу. В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) роль нагревателя выполняет горящая топливно-воздушная смесь, а в паровых турбинах – паровой котел.

2. Рабочее тело – это вещество (как правило, газ или пар), которое, расширяясь, совершает механическую работу. Рабочее тело является посредником, преобразующим тепловую энергию в механическую. В ДВС это продукты сгорания топлива, в паровых машинах – водяной пар.

3. Холодильник – это система с более низкой температурой $T_2$ (где $T_2 < T_1$), которой рабочее тело отдает некоторое количество теплоты $Q_2$. Чтобы работа двигателя была цикличной, рабочее тело должно вернуться в исходное состояние, а это возможно только при его охлаждении. В большинстве двигателей роль холодильника играет окружающая среда (атмосфера, вода в реке и т.д.).

Принципиальная схема работы любого теплового двигателя основана на термодинамическом цикле, который можно описать следующим образом:

1. Рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты $Q_1$. Внутренняя энергия рабочего тела увеличивается.

2. За счет полученной энергии рабочее тело расширяется и совершает механическую работу $A$. Например, оно толкает поршень в цилиндре или вращает лопасти турбины.

3. Чтобы цикл мог повториться, рабочее тело необходимо вернуть в первоначальное состояние. Для этого оно должно сжаться, отдав холодильнику количество теплоты $Q_2$, которое не было преобразовано в работу.

Таким образом, за один цикл двигатель совершает полезную работу, которая, согласно первому закону термодинамики (закону сохранения энергии), равна разности между полученной и отданной теплотой:

$A = Q_1 - Q_2$

Эффективность работы двигателя оценивается с помощью коэффициента полезного действия (КПД), который представляет собой отношение полезной работы $A$ к количеству теплоты $Q_1$, полученному от нагревателя:

$\eta = \frac{A}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}$

Второй закон термодинамики утверждает, что невозможно создать такой тепловой двигатель, который бы всю полученную от нагревателя теплоту превращал в работу, то есть $Q_2$ всегда больше нуля. Следовательно, КПД любого теплового двигателя всегда меньше 1 (или 100%).

Ответ: Основными частями любого теплового двигателя являются нагреватель (источник тепла), рабочее тело (газ или пар, совершающий работу) и холодильник (объект или среда для отвода тепла). Принципиальная схема работы заключается в том, что рабочее тело в ходе циклического процесса получает теплоту $Q_1$ от нагревателя, совершает механическую работу $A$ и отдает неиспользованную теплоту $Q_2$ холодильнику.