Номер 1, страница 225, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

Объясните

Объясните, что означает вечный двигатель второго рода. Почему невозможно его создать?

Объясните, что означает вечный двигатель второго рода.

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

В отличие от вечного двигателя первого рода, который должен был бы создавать энергию из ничего (нарушая первый закон термодинамики — закон сохранения энергии), вечный двигатель второго рода не нарушает закон сохранения энергии. Он лишь забирает тепловую энергию $Q_{нагр}$ из окружающей среды (например, из океана или атмосферы) и, по замыслу, совершает эквивалентную ей работу $\text{A}$, то есть $A = Q_{нагр}$. Такой двигатель имел бы коэффициент полезного действия (КПД), равный 100%.

Ответ: Вечный двигатель второго рода — это гипотетический тепловой двигатель, способный превращать в работу всю теплоту, извлекаемую из одного источника, имея при этом 100% КПД.

Почему невозможно его создать?

Создание вечного двигателя второго рода невозможно, так как это прямо противоречит второму закону термодинамики. Существует несколько формулировок этого закона, и одна из них (формулировка Кельвина или Томсона) звучит так: «Невозможен циклический процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара».

Это означает, что для работы любого реального теплового двигателя (например, двигателя внутреннего сгорания или паровой турбины) необходимы как минимум два тепловых резервуара:

1. Нагреватель — источник с более высокой температурой $T_{нагр}$, от которого двигатель получает количество теплоты $Q_{нагр}$.
2. Холодильник — приёмник с более низкой температурой $T_{холод}$, которому двигатель отдает часть теплоты $Q_{холод}$, не преобразованную в работу.

Работа, совершаемая двигателем за цикл, равна разности полученной и отданной теплоты: $A = Q_{нагр} - Q_{холод}$. Согласно второму закону термодинамики, передача теплоты холодильнику ($Q_{холод} > 0$) является неизбежной. Невозможно превратить в работу всю полученную теплоту.

Максимально возможный КПД теплового двигателя ограничен КПД идеального цикла Карно:

$\eta_{max} = \frac{T_{нагр} - T_{холод}}{T_{нагр}} = 1 - \frac{T_{холод}}{T_{нагр}}$

Из этой формулы видно, что КПД мог бы стать равным 100% ($\eta = 1$) только в одном случае: если бы температура холодильника была равна абсолютному нулю ($T_{холод} = 0$ К). Однако, согласно третьему закону термодинамики, достижение абсолютного нуля невозможно.

Таким образом, любой реальный двигатель должен отдавать часть энергии в виде тепла более холодному телу, и его КПД всегда будет меньше 100%.

Ответ: Создание такого двигателя запрещено вторым законом термодинамики, который утверждает, что для совершения работы тепловым двигателем необходимо наличие не только нагревателя, но и холодильника (тела с более низкой температурой), которому неизбежно передается часть теплоты, не превращенная в работу.