Номер 5, страница 217, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

5. Почему КПД теплового двигателя не может быть равным 100%?

5. КПД теплового двигателя не может быть равным 100% в соответствии со вторым законом термодинамики. Рассмотрим причины этого.

1. Теоретическое обоснование: Если бы КПД был равен 100%, это означало бы, что $η = 1$. Из формулы КПД $η = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}$ следует, что для достижения $η = 1$ необходимо, чтобы количество теплоты, отдаваемое холодильнику, $Q_2$ было равно нулю. Это означает, что вся теплота, полученная от нагревателя, полностью превращается в работу.

Однако, согласно второму закону термодинамики (формулировка Кельвина), невозможно создать циклически действующую тепловую машину, единственным результатом работы которой было бы превращение в работу всей теплоты, полученной от единственного теплового резервуара (нагревателя). Для того чтобы рабочий цикл мог повторяться, рабочее тело (например, газ или пар) должно вернуться в исходное состояние, а для этого ему необходимо отдать часть теплоты более холодному телу — холодильнику. Таким образом, $Q_2$ всегда больше нуля.

2. Максимально возможный КПД (цикл Карно): Французский инженер Сади Карно показал, что даже у идеального теплового двигателя, работающего по циклу Карно, КПД всегда меньше 100%. Максимальный теоретически возможный КПД определяется температурами нагревателя ($T_1$) и холодильника ($T_2$), выраженными в Кельвинах: $η_{max} = \frac{T_1 - T_2}{T_1} = 1 - \frac{T_2}{T_1}$

Из этой формулы видно, что КПД мог бы стать равным 100% ($η=1$) только в двух гипотетических случаях:

- Если температура холодильника $T_2$ равна абсолютному нулю (0 К). Согласно третьему закону термодинамики, достижение абсолютного нуля невозможно.

- Если температура нагревателя $T_1$ бесконечно велика, что также технически нереализуемо.

3. Практические причины: В реальных двигателях, помимо фундаментального ограничения второго закона термодинамики, существуют и другие причины потерь энергии, которые дополнительно снижают КПД. К ним относятся трение между деталями, теплообмен с окружающей средой, неполное сгорание топлива и другие необратимые процессы.

Ответ: КПД теплового двигателя не может быть равен 100% из-за второго закона термодинамики, который утверждает, что для работы циклического двигателя необходимо передавать часть полученной теплоты более холодному телу (холодильнику), а не превращать всю теплоту в работу.