Номер 3, страница 148, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 9. Простые механизмы. «золотое правило» механики. Параграф 85. Коэффициент полезного действия. Вопросы и задания - номер 3, страница 148.

Условие.

3. Почему невозможно построить машину с КПД, равным 100 %?

Решение.

Решение

Создание машины с коэффициентом полезного действия (КПД), равным 100%, невозможно из-за фундаментальных законов природы, в первую очередь второго начала термодинамики, а также из-за неизбежных практических потерь энергии.

Коэффициент полезного действия (КПД) определяется как отношение полезной работы $A_{полезная}$ к затраченной энергии $Q_{затраченная}$: $\eta = \frac{A_{полезная}}{Q_{затраченная}} \times 100\%$. КПД, равный 100%, означал бы, что вся подводимая к машине энергия без остатка преобразуется в полезную работу ($A_{полезная} = Q_{затраченная}$), и никакая часть энергии не теряется.

Существует две основные причины, по которым это невозможно:

1. Второе начало термодинамики

Этот фундаментальный закон физики, в одной из своих формулировок (постулат Кельвина), гласит: невозможен циклический процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара. Проще говоря, невозможно превратить всю теплоту, полученную от одного источника (нагревателя), в работу.

Любая тепловая машина (например, двигатель автомобиля, паровая турбина на электростанции) для своей работы должна иметь не только нагреватель (источник тепла с температурой $T_{нагревателя}$), от которого она получает количество теплоты $Q_{нагревателя}$, но и холодильник (окружающая среда, радиатор), которому она отдает некоторое количество теплоты $Q_{холодильника}$. Без отвода части тепла в холодильник двигатель не сможет работать циклически и вернуться в исходное состояние.

Полезная работа, совершаемая машиной за цикл, равна разности полученной и отданной теплоты: $A = Q_{нагревателя} - Q_{холодильника}$.

Тогда КПД такой машины равен: $\eta = \frac{A}{Q_{нагревателя}} = \frac{Q_{нагревателя} - Q_{холодильника}}{Q_{нагревателя}} = 1 - \frac{Q_{холодильника}}{Q_{нагревателя}}$.

Чтобы КПД стал равен 100% ($\eta = 1$), необходимо, чтобы количество теплоты, отдаваемое холодильнику, было равно нулю ($Q_{холодильника} = 0$). Но это прямо противоречит второму началу термодинамики.

Даже для идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно, максимальный теоретически возможный КПД всегда меньше 100% и определяется по формуле: $\eta_{max} = 1 - \frac{T_{холодильника}}{T_{нагревателя}}$, где температуры выражены в абсолютной шкале (Кельвинах). Этот КПД мог бы стать равным 100% только при условии, что температура холодильника равна абсолютному нулю ($T_{холодильника} = 0 \text{ К}$), что, согласно третьему началу термодинамики, является недостижимым.

2. Неизбежные потери энергии в реальных механизмах

В любой реальной машине, помимо фундаментальных термодинамических ограничений, существуют неустранимые потери энергии, которые не идут на совершение полезной работы. К таким потерям относятся: трение между движущимися частями механизма, которое преобразует механическую энергию в тепло; сопротивление воздуха или жидкости; неполное сгорание топлива; теплообмен с окружающей средой; а также потери энергии на звук и вибрации. Вся эта энергия рассеивается, в основном в виде тепла, и не может быть преобразована в полезную работу. Следовательно, КПД реальной машины всегда будет строго меньше 100%.

Ответ: Построить машину с КПД 100% невозможно по двум основным причинам. Во-первых, это противоречит второму началу термодинамики, которое утверждает, что для работы любого теплового двигателя необходимо отдавать часть полученной энергии (теплоты) более холодному телу (холодильнику), что делает невозможным полное преобразование теплоты в работу. Во-вторых, в любом реальном механизме всегда присутствуют неустранимые потери энергии на трение, сопротивление среды, излучение тепла и другие побочные процессы, что также снижает КПД и не позволяет ему достичь 100%.