Номер 1, страница 114, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 8. Работа, мощность, энергия. Параграф 75. Невозможность создания вечного двигателя. Вопросы и задания - номер 1, страница 114.

Условие.

1. Почему невозможно создание вечного двигателя?

Решение.

Создание вечного двигателя невозможно, поскольку его существование противоречило бы фундаментальным законам физики — первому и второму началам термодинамики. Различают два основных типа гипотетических вечных двигателей, и создание каждого из них невозможно по своим причинам.

Вечный двигатель первого рода

Это гипотетическое устройство, которое могло бы совершать работу бесконечно долго, не получая энергии извне. По сути, такой двигатель создавал бы энергию из ничего. Это прямо нарушает закон сохранения энергии, который гласит, что энергия в замкнутой системе не может быть создана или уничтожена, а может только переходить из одной формы в другую. Первое начало термодинамики является формулировкой этого закона для тепловых процессов:

$ \Delta U = Q - A $

Здесь $ \Delta U $ — изменение внутренней энергии системы, $\text{Q}$ — количество теплоты, полученное системой, а $\text{A}$ — работа, совершённая системой. Для вечного двигателя, работающего циклически, изменение внутренней энергии за цикл равно нулю ($ \Delta U = 0 $). Если двигатель не получает энергию извне ($ Q = 0 $), то, согласно уравнению, он не может и совершать работу ($ A = 0 $). Любой реальный механизм для совершения работы должен либо черпать энергию из внешнего источника, либо расходовать свою внутреннюю энергию. Кроме того, в любой реальной системе всегда присутствуют потери энергии на трение и другие диссипативные процессы, которые превращают полезную механическую энергию в теплоту, рассеиваемую в окружающую среду.

Ответ: Создание вечного двигателя первого рода невозможно, так как оно противоречит закону сохранения энергии (первому началу термодинамики), согласно которому нельзя получить работу без затрат энергии.

Вечный двигатель второго рода

Это гипотетическая тепловая машина, которая бы работала циклически, полностью преобразуя в работу всю теплоту, полученную от одного единственного теплового резервуара. Такое устройство не нарушало бы закон сохранения энергии (оно потребляет энергию в виде теплоты), но оно противоречит второму началу термодинамики.

Второе начало термодинамики утверждает, что теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более горячему. Одна из его формулировок (постулат Кельвина) гласит: невозможно создать циклический процесс, единственным результатом которого было бы совершение работы за счёт охлаждения одного теплового резервуара. Для работы любой реальной тепловой машины необходимо наличие как минимум двух тел с разной температурой — нагревателя и холодильника. Машина получает теплоту $ Q_{hot} $ от нагревателя, часть её превращает в работу $\text{A}$, а оставшуюся часть теплоты $ Q_{cold} $ обязательно передаёт холодильнику. Коэффициент полезного действия (КПД) любой тепловой машины всегда меньше 100%. Даже для идеальной тепловой машины (работающей по циклу Карно) максимальный КПД определяется температурами нагревателя $ T_{hot} $ и холодильника $ T_{cold} $ (в абсолютной шкале Кельвина):

$ \eta_{max} = \frac{T_{hot} - T_{cold}}{T_{hot}} = 1 - \frac{T_{cold}}{T_{hot}} $

Из этой формулы видно, что КПД мог бы достигнуть 100% ($ \eta = 1 $) только при условии, что температура холодильника равна абсолютному нулю ($ T_{cold} = 0 \text{ К} $), что является практически недостижимым. Следовательно, невозможно преобразовать всю теплоту от одного источника в работу без потерь.

Ответ: Создание вечного двигателя второго рода невозможно, так как оно противоречит второму началу термодинамики, которое запрещает полное превращение теплоты в работу в циклическом процессе; часть теплоты неизбежно должна быть передана более холодному телу (холодильнику).