Номер 3, страница 190 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 5. Законы термодинамики. Параграф 5.12. Максимальный КПД тепловых двигателей - номер 3, страница 190.

Условие.

3. Опишите принцип действия идеальной холодильной машины.

Решение.

Принцип действия идеальной холодильной машины основан на обратном цикле Карно. Холодильная машина представляет собой устройство, которое переносит теплоту от менее нагретого тела (охлаждаемого объекта) к более нагретому телу (окружающей среде) за счет совершения работы внешними силами. Этот процесс противоречит естественному ходу теплопередачи, но соответствует второму началу термодинамики, так как происходит не самопроизвольно, а с затратой энергии.

Рабочим телом в машине является газ, который совершает циклический процесс, состоящий из четырех обратимых стадий:

1. Изотермическое расширение. Рабочее тело (газ) находится в тепловом контакте с охлаждаемым телом (холодильником), имеющим абсолютную температуру $T_Х$. Газ медленно расширяется при постоянной температуре, отбирая у холодильника количество теплоты $Q_Х$.

2. Адиабатное сжатие. Рабочее тело теплоизолируется от обоих резервуаров и адиабатно сжимается. Внешние силы совершают над газом работу, в результате чего его температура и внутренняя энергия повышаются от $T_Х$ до температуры более горячего тела (нагревателя) $T_Н$.

3. Изотермическое сжатие. Рабочее тело приводится в тепловой контакт с нагревателем (окружающей средой) с температурой $T_Н$. Газ медленно сжимается при постоянной температуре, отдавая нагревателю количество теплоты $Q_Н$.

4. Адиабатное расширение. Рабочее тело снова теплоизолируется и адиабатно расширяется. При этом газ совершает работу, а его температура и внутренняя энергия понижаются от $T_Н$ до исходной температуры $T_Х$. После этого цикл замыкается и может повторяться.

За один цикл холодильная машина отбирает от холодного тела теплоту $Q_Х$ и передает горячему телу теплоту $Q_Н$. Согласно первому началу термодинамики для циклического процесса, работа $A'$, совершаемая внешними силами над рабочим телом, равна разности переданной и полученной теплоты:

$A' = Q_Н - Q_Х$

Эффективность холодильной машины характеризуется холодильным коэффициентом (коэффициентом производительности) $\omega$, который определяется как отношение количества теплоты $Q_Х$, отобранной от охлаждаемого тела, к затраченной на это работе $A'$:

$\omega = \frac{Q_Х}{A'} = \frac{Q_Х}{Q_Н - Q_Х}$

Для идеальной холодильной машины, работающей по обратному циклу Карно, холодильный коэффициент максимален и выражается через абсолютные температуры нагревателя ($T_Н$) и холодильника ($T_Х$):

$\omega_{идеал} = \frac{T_Х}{T_Н - T_Х}$

Ответ: Принцип действия идеальной холодильной машины заключается в осуществлении обратного цикла Карно, в ходе которого рабочее тело (газ) отбирает теплоту у охлаждаемого объекта при низкой температуре ($T_Х$), а затем, за счет совершения над ним внешней работы, отдает большее количество теплоты окружающей среде при более высокой температуре ($T_Н$). Таким образом, машина "перекачивает" теплоту от холодного тела к горячему, затрачивая на это внешнюю энергию.