Номер 3, страница 115, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 3. Тепловые двигатели. Параграф 28. Принципы работы тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия теплового двигателя. Вопросы и задания - номер 3, страница 115.

Условие.

3. Почему КПД теплового двигателя не может быть равен 100 % или больше?

Решение.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя не может быть равен 100% или больше, и это является прямым следствием фундаментальных законов термодинамики.

1. Почему КПД не может быть больше 100%?

КПД теплового двигателя по определению — это отношение совершённой полезной механической работы $A_{полезная}$ к количеству теплоты $Q_{нагревателя}$, полученной от нагревателя (например, от сгорания топлива):

$\eta = \frac{A_{полезная}}{Q_{нагревателя}} \cdot 100\%$

Если бы КПД был больше 100%, это означало бы, что $A_{полезная} > Q_{нагревателя}$. То есть, двигатель совершил бы работы больше, чем получил энергии от источника тепла. Это прямо противоречит первому закону термодинамики, который является законом сохранения энергии. Энергия не может создаваться из ничего. Таким образом, создание «вечного двигателя первого рода», который производит больше энергии, чем потребляет, невозможно.

2. Почему КПД не может быть равен 100%?

Случай, когда КПД равен 100%, означал бы, что вся подведенная теплота полностью преобразуется в работу: $A_{полезная} = Q_{нагревателя}$.

Работа любого теплового двигателя основана на циклическом процессе. Согласно первому закону термодинамики, работа, совершаемая двигателем за один цикл, равна разности между количеством теплоты, полученным от нагревателя ($Q_{нагревателя}$), и количеством теплоты, отданным холодильнику ($Q_{холодильника}$):

$A_{полезная} = Q_{нагревателя} - Q_{холодильника}$

Для того чтобы КПД был равен 100%, необходимо, чтобы количество теплоты, отданное холодильнику, было равно нулю ($Q_{холодильника} = 0$). Однако это невозможно согласно второму закону термодинамики. Одна из его формулировок (постулат Кельвина) гласит: невозможен циклический процесс, единственным результатом которого является совершение работы за счёт охлаждения одного теплового резервуара.

Иными словами, для работы теплового двигателя принципиально необходимо наличие не только «нагревателя», но и «холодильника» — тела с более низкой температурой, которому будет передаваться часть теплоты, не преобразованная в работу. Без отвода этой «лишней» теплоты рабочее тело (например, газ в цилиндре) после расширения и совершения работы не сможет сжаться и вернуться в исходное состояние, чтобы начать новый цикл. Таким образом, циклический процесс невозможен без холодильника, а значит, всегда $Q_{холодильника} > 0$ и, следовательно, КПД всегда меньше 100%.

Даже для идеального теплового двигателя, работающего по самому эффективному циклу Карно, КПД определяется абсолютными температурами нагревателя ($T_{нагревателя}$) и холодильника ($T_{холодильника}$):

$\eta_{max} = 1 - \frac{T_{холодильника}}{T_{нагревателя}}$

Этот КПД мог бы стать равным 100% только при условии, что температура холодильника равна абсолютному нулю ($T_{холодильника} = 0$ К). Однако, согласно третьему закону термодинамики, достижение абсолютного нуля температуры невозможно.

Ответ: КПД теплового двигателя не может быть равен 100% или больше из-за фундаментальных законов термодинамики. Случай КПД > 100% нарушает первый закон термодинамики (закон сохранения энергии), так как это означало бы создание энергии из ничего. Случай КПД = 100% нарушает второй закон термодинамики, который утверждает, что для осуществления циклического процесса (необходимого для непрерывной работы двигателя) часть теплоты от нагревателя должна быть обязательно передана более холодному телу — холодильнику.