Номер 3, страница 146, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 8. Электромагнитные явления. Параграф 83. Получение и использование электроэнергии. Повторим изученное - номер 3, страница 146.

Условие.

• Что такое КПД теплового двигателя и от чего он зависит?

Решение.

Что такое КПД теплового двигателя и от чего он зависит?

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя, обозначаемый греческой буквой $\eta$ (эта), является мерой эффективности преобразования тепловой энергии в полезную механическую работу. Он показывает, какая доля от всего количества теплоты ($Q_{нагревателя}$), полученного от источника высокой температуры (нагревателя), идет на совершение полезной работы ($A_{полезная}$). КПД является безразмерной величиной и часто выражается в процентах. Рассчитывается он по формуле: $\eta = \frac{A_{полезная}}{Q_{нагревателя}}$.

В соответствии с первым началом термодинамики, совершаемая двигателем работа равна разности между количеством теплоты, полученным от нагревателя, и количеством теплоты ($Q_{холодильника}$), отданным источнику низкой температуры (холодильнику), то есть $A_{полезная} = Q_{нагревателя} - Q_{холодильника}$. Поэтому формулу для КПД можно переписать в виде: $\eta = \frac{Q_{нагревателя} - Q_{холодильника}}{Q_{нагревателя}} = 1 - \frac{Q_{холодильника}}{Q_{нагревателя}}$. Эта формула показывает, что КПД любого теплового двигателя всегда меньше единицы (или 100%), поскольку невозможно избежать передачи части теплоты холодильнику.

Зависимость КПД определяется двумя группами факторов. Во-первых, существует теоретический предел эффективности, который зависит исключительно от температур. Для идеального теплового двигателя, работающего по циклу Карно, максимальный КПД определяется только абсолютными температурами нагревателя ($T_{нагревателя}$) и холодильника ($T_{холодильника}$), выраженными в Кельвинах. Формула для максимального КПД выглядит так: $\eta_{max} = 1 - \frac{T_{холодильника}}{T_{нагревателя}}$. Из этой формулы следует, что для повышения КПД необходимо либо увеличивать температуру нагревателя, либо понижать температуру холодильника.

Во-вторых, в реальных двигателях КПД всегда ниже теоретического предела из-за различных потерь. К ним относятся: потери на трение между движущимися частями механизма; тепловые потери из-за неидеальной теплоизоляции, когда тепло уходит в окружающую среду, минуя рабочий цикл; химические потери из-за неполного сгорания топлива; а также термодинамические потери, связанные с быстрым протеканием процессов расширения и сжатия, которые отличаются от идеализированных обратимых процессов.

Ответ: КПД теплового двигателя – это физическая величина, равная отношению полезной механической работы, совершённой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя. Он показывает эффективность преобразования тепла в работу. КПД зависит от двух основных факторов: 1) от абсолютных температур нагревателя и холодильника (чем больше их разница, тем выше теоретически возможный КПД); 2) от конструктивных особенностей двигателя и потерь энергии в реальных условиях, таких как трение, теплопотери в окружающую среду и неполное сгорание топлива, которые снижают фактический КПД по сравнению с теоретическим максимумом.