Номер 1, страница 123, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 3. Тепловые двигатели. Параграф 31. Двигатель внутреннего сгорания. Повторим изученное - номер 1, страница 123.

Условие.

• Что такое тепловые двигатели?

Решение.

Что такое тепловые двигатели?

Тепловые двигатели — это устройства, которые преобразуют тепловую энергию (теплоту), получаемую от сгорания топлива или другого источника, в механическую работу. Этот процесс является циклическим, то есть рабочее тело двигателя периодически возвращается в свое исходное состояние.

Принцип работы любого теплового двигателя основан на законах термодинамики. Для работы двигателя необходимы три основных элемента:
1. Нагреватель — источник тепла с высокой температурой $T_1$, который передает рабочему телу количество теплоты $Q_1$.
2. Рабочее тело — вещество (например, газ или пар), которое расширяется при нагревании, совершая механическую работу $\text{A}$, и сжимается при охлаждении.
3. Холодильник — объект с более низкой температурой $T_2$, которому рабочее тело отдает некоторое количество теплоты $Q_2$, не преобразованное в работу. Наличие холодильника является обязательным условием для работы любого теплового двигателя, так как для замыкания цикла рабочее тело должно вернуться в исходное состояние, отдав часть энергии.

Рабочий цикл теплового двигателя можно описать следующим образом: рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты $Q_1$, расширяется и совершает полезную работу $\text{A}$. Затем, чтобы вернуться в первоначальное состояние и начать новый цикл, рабочее тело должно отдать холодильнику количество теплоты $Q_2$.

Согласно первому закону термодинамики, совершенная за цикл работа равна разности между полученным и отданным количеством теплоты:
$A = Q_1 - Q_2$

Важнейшей характеристикой теплового двигателя является его коэффициент полезного действия (КПД), который обозначается греческой буквой $\eta$ (эта). КПД — это отношение полезной работы $\text{A}$, совершенной двигателем, к количеству теплоты $Q_1$, полученному от нагревателя:
$\eta = \frac{A}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}$

КПД всегда меньше единицы (или 100%), так как часть теплоты ($Q_2$) неизбежно передается холодильнику. Французский инженер Сади Карно теоретически доказал, что максимальный КПД идеального теплового двигателя (работающего по циклу Карно) зависит только от абсолютных температур нагревателя ($T_1$) и холодильника ($T_2$), выраженных в кельвинах:
$\eta_{max} = \frac{T_1 - T_2}{T_1} = 1 - \frac{T_2}{T_1}$

Эта формула показывает, что для увеличения КПД необходимо либо повышать температуру нагревателя, либо понижать температуру холодильника. Реальные двигатели имеют КПД ниже, чем у идеального двигателя Карно, из-за потерь на трение, теплообмен с окружающей средой и других факторов.

Примерами тепловых двигателей являются:
- Двигатели внутреннего сгорания (ДВС), используемые в автомобилях;
- Паровые турбины на тепловых и атомных электростанциях;
- Газовые турбины в самолетах;
- Двигатель Стирлинга.

Ответ: Тепловые двигатели — это машины, работающие циклически и преобразующие внутреннюю энергию топлива (тепловую энергию) в механическую работу. Их работа основана на получении тепла от горячего источника (нагревателя), совершении работы рабочим телом и обязательной передаче части тепла холодному источнику (холодильнику). Эффективность их работы характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД), который всегда меньше 100%.