Номер 8.6, страница 46 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Тепловые явления. 8. Тепловые двигатели - номер 8.6, страница 46.

Условие.

8.6. Может ли КПД теплового двигателя быть равен 100 % ?

Решение.

Нет, коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя не может быть равен 100%. Это утверждение является следствием фундаментальных законов термодинамики.

1. Второй закон термодинамики. КПД теплового двигателя определяется как отношение совершённой полезной работы $A_{полезная}$ к количеству теплоты $Q_{нагревателя}$, полученному от нагревателя: $\eta = \frac{A_{полезная}}{Q_{нагревателя}}$. Согласно закону сохранения энергии (первому закону термодинамики), работа, совершаемая двигателем за цикл, равна разности теплоты, полученной от нагревателя, и теплоты, отданной холодильнику (окружающей среде): $A_{полезная} = Q_{нагревателя} - Q_{холодильника}$.

Подставив это в формулу для КПД, получим:$\eta = \frac{Q_{нагревателя} - Q_{холодильника}}{Q_{нагревателя}} = 1 - \frac{Q_{холодильника}}{Q_{нагревателя}}$

Для того чтобы КПД был равен 100% ($\eta = 1$), необходимо, чтобы количество теплоты, отданное холодильнику, было равно нулю: $Q_{холодильника} = 0$. Это бы означало, что двигатель преобразует всю полученную теплоту в работу. Однако такой процесс запрещен вторым законом термодинамики (в формулировке Кельвина), который утверждает невозможность создания вечного двигателя второго рода. Для работы любого теплового двигателя в циклическом режиме необходимо наличие не только нагревателя, но и холодильника, которому обязательно будет передаваться часть теплоты.

2. Цикл Карно. Максимально возможный КПД для любого теплового двигателя, работающего между температурой нагревателя $T_{нагревателя}$ и температурой холодильника $T_{холодильника}$, — это КПД идеального двигателя, работающего по циклу Карно. Он рассчитывается по формуле:$\eta_{max} = 1 - \frac{T_{холодильника}}{T_{нагревателя}}$

Даже в этом идеальном случае для достижения 100% КПД ($\eta_{max} = 1$) необходимо, чтобы температура холодильника была равна абсолютному нулю ($T_{холодильника} = 0$ К). Согласно третьему закону термодинамики, достичь температуры абсолютного нуля практически невозможно.

Следовательно, КПД любого реального и даже идеального теплового двигателя всегда меньше 100%.

Ответ: Нет, КПД теплового двигателя не может быть равен 100%. Это противоречит второму закону термодинамики, согласно которому для работы теплового двигателя необходимо отдавать часть теплоты холодильнику, поэтому не вся полученная от нагревателя теплота может быть преобразована в полезную работу.