Номер 6, страница 97 - гдз по физике 10 класс учебник Казахбаева, Кронгарт

*6. Можно ли осуществить цикл, при котором все подведенное к рабочему телу количество теплоты превращалось бы в механическую энергию?

*6. Нет, осуществить такой цикл, при котором вся подведенная теплота превращается в механическую энергию, невозможно. Это прямо запрещено вторым законом термодинамики.

Решение

Любая тепловая машина, работающая по циклу, преобразует теплоту в работу. Согласно первому закону термодинамики, примененному к циклическому процессу, изменение внутренней энергии рабочего тела за цикл равно нулю ($\Delta U = 0$). Следовательно, вся совершенная за цикл работа $A$ равна разности между количеством теплоты $Q_H$, полученным от нагревателя, и количеством теплоты $|Q_L|$, отданным холодильнику:

$A = Q_H - |Q_L|$

Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины по определению равен отношению полезной работы $A$ к затраченной энергии, то есть к количеству теплоты $Q_H$, полученному от нагревателя:

$\eta = \frac{A}{Q_H} = \frac{Q_H - |Q_L|}{Q_H} = 1 - \frac{|Q_L|}{Q_H}$

Если бы вся подведенная теплота превращалась в механическую энергию, это означало бы, что $A = Q_H$. Из формулы для работы следует, что для этого необходимо, чтобы количество теплоты, отданное холодильнику, было равно нулю: $|Q_L| = 0$. В этом случае КПД был бы равен 1 (или 100%).

Однако, согласно второму закону термодинамики в формулировке Кельвина, невозможен циклический процесс, единственным результатом которого является производство работы за счет охлаждения одного теплового резервуара. Это означает, что для осуществления циклического процесса обязательно требуется наличие не только нагревателя (источника теплоты), но и холодильника, которому будет передана часть этой теплоты. Таким образом, в любом циклическом процессе $|Q_L| > 0$, и, следовательно, КПД любой тепловой машины всегда меньше единицы: $\eta < 1$.

Теорема Карно доказывает, что максимальный КПД, который может иметь тепловая машина, работающая между температурами нагревателя $T_H$ и холодильника $T_L$, равен КПД идеального цикла Карно:

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

Из этой формулы видно, что КПД равнялся бы единице только в том случае, если бы температура холодильника была равна абсолютному нулю ($T_L = 0$ К). Однако, согласно третьему закону термодинамики, достижение температуры абсолютного нуля невозможно.

Устройство, которое могло бы совершать работу, полностью преобразуя теплоту из одного источника, называется вечным двигателем второго рода. Его создание невозможно, так как оно противоречит фундаментальным законам природы.

Ответ: Нет, невозможно осуществить цикл, в котором все подведенное к рабочему телу количество теплоты превращалось бы в механическую энергию. Это запрещено вторым законом термодинамики, так как для работы любого теплового двигателя по циклу необходима передача части тепла холодильнику.