Номер 16, страница 108, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Глава II. Тепловые явления. Параграф 12. Тепловые двигатели - номер 16, страница 108.

Условие.

16. Приведите примеры известных вам тепловых двигателей. Какие превращения энергии в них происходят? Почему КПД теплового двигателя не может быть равным 100 %?

Решение.

Приведите примеры известных вам тепловых двигателей.

Тепловой двигатель — это устройство, которое преобразует тепловую энергию в механическую работу. К наиболее известным примерам тепловых двигателей относятся: двигатель внутреннего сгорания (ДВС), широко используемый в автомобилях, мотоциклах и другой технике; паровая машина, исторически важный двигатель, который приводил в движение паровозы и пароходы; паровая турбина, используемая на тепловых и атомных электростанциях для выработки электроэнергии; газовая турбина, применяемая в авиации (как часть реактивных двигателей) и на электростанциях; реактивный двигатель, используемый для приведения в движение самолетов и ракет.

Ответ: Примерами тепловых двигателей являются двигатель внутреннего сгорания (ДВС), паровая машина, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель.

Какие превращения энергии в них происходят?

В любом тепловом двигателе происходит последовательное превращение одного вида энергии в другой. Основная цепочка преобразований выглядит следующим образом: сначала сжигается топливо (например, бензин, уголь, природный газ), при этом его внутренняя химическая энергия превращается в тепловую энергию. Эта тепловая энергия передается рабочему телу (газу или пару), увеличивая его внутреннюю энергию. Затем, расширяясь, рабочее тело совершает механическую работу, двигая поршень или вращая лопасти турбины. Таким образом, внутренняя энергия рабочего тела превращается в механическую энергию (работу). Обобщенная схема: Химическая энергия топлива → Тепловая энергия (внутренняя энергия рабочего тела) → Механическая работа.

Ответ: В тепловых двигателях происходит превращение внутренней (химической) энергии топлива в тепловую энергию, которая, в свою очередь, преобразуется в механическую работу.

Почему КПД теплового двигателя не может быть равным 100 %?

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя никогда не может достичь 100 % из-за фундаментальных ограничений, налагаемых вторым началом термодинамики, а также из-за практических потерь энергии.
Во-первых, согласно второму началу термодинамики, для того чтобы двигатель работал циклически, рабочее тело (газ или пар) после совершения работы должно вернуться в свое первоначальное состояние. Для этого ему необходимо отдать часть полученной теплоты более холодному телу — холодильнику (например, окружающей среде). Без отвода тепла холодильнику цикл не сможет завершиться, и двигатель остановится. Следовательно, не вся теплота, полученная от нагревателя, может быть преобразована в работу; часть ее неизбежно передается холодильнику.
Во-вторых, французский ученый Сади Карно теоретически доказал, что даже у идеального теплового двигателя, работающего по наиболее эффективному циклу, КПД всегда меньше 100 %. Его максимальное значение определяется формулой: $\eta_{max} = \frac{T_{нагр} - T_{холод}}{T_{нагр}} = 1 - \frac{T_{холод}}{T_{нагр}}$, где $T_{нагр}$ — абсолютная температура нагревателя, а $T_{холод}$ — абсолютная температура холодильника. Из формулы видно, что КПД мог бы быть равен 100 % (или 1) только в том случае, если бы температура холодильника $T_{холод}$ была равна абсолютному нулю (0 Кельвинов), что является физически недостижимым.
В-третьих, в реальных двигателях КПД еще ниже идеального из-за неизбежных потерь энергии на трение движущихся частей, неполного сгорания топлива и рассеивания тепла в окружающую среду.

Ответ: КПД теплового двигателя не может быть равен 100 % из-за второго начала термодинамики, которое требует наличия холодильника для завершения цикла работы, что приводит к неизбежной потере части теплоты. Максимально возможный КПД ограничен разностью температур нагревателя и холодильника и теоретически достиг бы 100 % только при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, что недостижимо. Кроме того, существуют практические потери энергии на трение и теплообмен с окружающей средой.