Номер 3, страница 101 - гдз по физике 10 класс учебник Казахбаева, Кронгарт

3. Почему невозможно построить тепловой двигатель без холодильника?

3. Построить тепловой двигатель без холодильника невозможно в соответствии со вторым началом термодинамики. Принцип работы любого теплового двигателя основан на циклическом процессе, в ходе которого рабочее тело (например, газ или пар) получает некоторое количество теплоты от более горячего тела (нагревателя), совершает механическую работу и передает оставшуюся часть теплоты более холодному телу (холодильнику).

Работа $A$, совершаемая двигателем за один цикл, равна разности между количеством теплоты $Q_1$, полученным от нагревателя, и количеством теплоты $Q_2$, отданным холодильнику: $A = Q_1 - Q_2$.

Если бы холодильник отсутствовал, то для совершения работы вся полученная от нагревателя теплота $Q_1$ должна была бы целиком превратиться в работу ($Q_2 = 0$). В этом случае коэффициент полезного действия (КПД) двигателя, определяемый как $\eta = \frac{A}{Q_1}$, был бы равен 1 или 100%. Такое гипотетическое устройство, которое бы совершало работу только за счет охлаждения одного источника тепла, называется вечным двигателем второго рода.

Второе начало термодинамики (в формулировке Кельвина-Планка) утверждает, что создание вечного двигателя второго рода невозможно. Для того чтобы тепловой двигатель работал циклически, рабочее тело должно по завершении цикла вернуться в свое исходное состояние. Это возвращение в исходное состояние неизбежно сопровождается передачей некоторого количества теплоты холодильнику. Например, в паровой турбине отработанный пар необходимо охладить и сконденсировать обратно в воду, чтобы цикл мог повториться. Этот процесс конденсации и представляет собой передачу тепла холодильнику (часто это окружающая среда).

Таким образом, наличие разности температур между нагревателем ($T_1$) и холодильником ($T_2$), где $T_1 > T_2$, является фундаментальным условием для преобразования тепловой энергии в механическую работу в циклическом процессе. Холодильник необходим для создания этой разности температур и для замыкания термодинамического цикла.

Ответ: Тепловой двигатель невозможно построить без холодильника, так как для совершения работы в циклическом процессе необходимо не только получать тепло от нагревателя, но и отдавать его часть более холодному телу (холодильнику). Это требование является прямым следствием второго начала термодинамики, которое запрещает полное превращение теплоты в работу в циклическом процессе.