Номер 8.34, страница 48 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Тепловые явления. 8. Тепловые двигатели - номер 8.34, страница 48.

Условие.

8.34. Станет ли КПД тепловой машины равным 100 %, если трение в частях машины уменьшить до нуля?

Решение.

Решение

Нет, КПД тепловой машины не станет равным 100 %, даже если трение в её частях уменьшить до нуля. Устранение трения и других механических потерь лишь приближает КПД реальной машины к теоретическому максимуму, но этот максимум всё равно меньше 100%.

Это ограничение следует из второго закона термодинамики. Любая тепловая машина работает циклически, получая количество теплоты $Q_1$ от горячего источника (нагревателя) с температурой $T_1$ и передавая количество теплоты $Q_2$ холодному источнику (холодильнику) с температурой $T_2$. Разница между полученной и отданной теплотой превращается в полезную работу $\text{A}$.

$A = Q_1 - Q_2$

Коэффициент полезного действия (КПД) определяется как отношение полезной работы к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

$η = \frac{A}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}$

Согласно второму закону термодинамики, невозможно создать процесс, единственным результатом которого было бы превращение всей теплоты, полученной от нагревателя, в работу. Это означает, что любая тепловая машина обязана передавать часть теплоты холодильнику, то есть $Q_2$ всегда больше нуля ($Q_2 > 0$).

Поскольку $Q_2 > 0$, то и отношение $\frac{Q_2}{Q_1} > 0$, а значит КПД $η$ всегда будет строго меньше 1 (или 100%).

Даже для идеальной тепловой машины (машины Карно), в которой отсутствуют любые потери, включая трение, максимальный КПД определяется только температурами нагревателя и холодильника:

$η_{max} = \frac{T_1 - T_2}{T_1} = 1 - \frac{T_2}{T_1}$

Из этой формулы видно, что КПД мог бы стать равным 100% ($η=1$) только в том случае, если бы температура холодильника $T_2$ была равна абсолютному нулю ($\text{0}$ К). Однако, согласно третьему закону термодинамики, достичь температуры абсолютного нуля невозможно.

Таким образом, наличие холодильника и необходимость отдавать ему часть теплоты являются принципиальным, неустранимым ограничением, не позволяющим достичь 100% КПД, независимо от наличия или отсутствия трения.

Ответ: Нет, КПД тепловой машины не станет равным 100%, так как согласно второму закону термодинамики для совершения работы необходимо не только получать тепло от нагревателя, но и отдавать его часть холодильнику.