Номер 4, страница 168 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 5. Законы термодинамики. Параграф 5.9. Второй закон термодинамики - номер 4, страница 168.

Условие.

4. Объясните, почему невозможно построить вечный двигатель второго рода.

Решение.

Решение

Вечный двигатель второго рода — это гипотетическая тепловая машина, которая, работая по замкнутому циклу, могла бы полностью преобразовывать в механическую работу всю теплоту, полученную от единственного источника (теплового резервуара). Иными словами, это двигатель с коэффициентом полезного действия (КПД), равным 100%.

Невозможность создания такого двигателя является фундаментальным следствием второго закона термодинамики. Этот закон, описывающий направление самопроизвольных процессов в природе, имеет несколько эквивалентных формулировок, которые прямо запрещают существование вечного двигателя второго рода.

Одна из наиболее известных формулировок принадлежит Уильяму Томсону (лорду Кельвину) и звучит так: невозможен циклический процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара. Это означает, что для непрерывного превращения теплоты в работу необходим не только источник тепла (нагреватель), но и тело с более низкой температурой (холодильник). Любой реальный тепловой двигатель должен передавать часть полученной от нагревателя теплоты холодильнику, и эта часть энергии не превращается в полезную работу.

Объяснение с точки зрения энтропии также демонстрирует эту невозможность. Второй закон термодинамики гласит, что в изолированной системе энтропия ($\text{S}$) никогда не убывает, то есть её изменение всегда больше или равно нулю: $\Delta S \ge 0$. Если бы вечный двигатель второго рода существовал, он бы забирал количество теплоты $Q_Н$ от нагревателя с температурой $T_Н$ и полностью превращал его в работу $A = Q_Н$. Энтропия нагревателя при этом уменьшилась бы на величину $\Delta S_Н = -\frac{Q_Н}{T_Н}$. Поскольку двигатель работает циклически, изменение его собственной энтропии за цикл равно нулю. В такой системе (нагреватель + двигатель) общее изменение энтропии было бы отрицательным: $\Delta S_{общ} = \Delta S_Н + \Delta S_{двиг} = -\frac{Q_Н}{T_Н} + 0 < 0$. Это прямое нарушение второго закона термодинамики.

Теория тепловых машин, развитая Сади Карно, показывает, что максимальный КПД, который может иметь тепловой двигатель, работающий между нагревателем с температурой $T_Н$ и холодильником с температурой $T_Х$ (температуры в кельвинах), равен КПД идеального цикла Карно:

$\eta_{max} = \frac{T_Н - T_Х}{T_Н} = 1 - \frac{T_Х}{T_Н}$

Из этой формулы видно, что КПД может быть равен 1 (или 100%) только в двух случаях: либо температура нагревателя $T_Н$ бесконечно велика, либо температура холодильника $T_Х$ равна абсолютному нулю ($\text{0}$ К). Оба эти условия на практике недостижимы. Таким образом, любая реальная тепловая машина имеет КПД строго меньше 100%.

Ответ: Построить вечный двигатель второго рода невозможно, так как его существование противоречит второму закону термодинамики. Этот фундаментальный закон природы гласит, что для превращения теплоты в работу в циклическом процессе необходимо иметь как минимум два тепловых резервуара с разными температурами — нагреватель и холодильник. Нельзя произвести работу, просто отбирая теплоту у одного тела, не передав часть этой теплоты другому, более холодному телу. Следовательно, коэффициент полезного действия любого теплового двигателя всегда меньше 100%.