Номер 1, страница 76 - гдз по физике 8 класс учебник Громов, Родина

Глава 2. Изменение агрегатных состояний вещества. Параграф 20. Двигатель внутреннего сгорания. Вспомните - номер 1, страница 76.

Условие.

Что такое тепловой двигатель?

Решение.

Определение

Тепловой двигатель — это устройство (тепловая машина), которое циклически преобразует внутреннюю энергию топлива (или любую другую тепловую энергию) в механическую работу. Принцип действия таких устройств основан на законах термодинамики, которые описывают процессы превращения энергии.

Ответ: Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее тепло в механическую работу.

Принцип работы

Работа теплового двигателя основана на выполнении термодинамического цикла. В этом цикле рабочее тело (обычно газ или пар) получает количество теплоты $Q_1$ от источника с высокой температурой $T_1$ (нагревателя). При этом рабочее тело расширяется и совершает полезную механическую работу $\text{A}$. Затем, чтобы цикл мог повториться, рабочее тело должно вернуться в исходное состояние. Для этого оно отдает некоторое количество теплоты $Q_2$ источнику с низкой температурой $T_2$ (холодильнику). Согласно первому закону термодинамики, совершенная за цикл работа равна разности между полученной и отданной теплотой: $A = Q_1 - Q_2$. Второй закон термодинамики утверждает, что невозможно создать циклически действующий двигатель, который бы только получал теплоту от нагревателя и полностью превращал ее в работу, не отдавая часть тепла холодильнику. Таким образом, наличие холодильника является обязательным условием работы любого теплового двигателя.

Ответ: Тепловой двигатель работает циклически, получая тепло от нагревателя, превращая его часть в механическую работу и отдавая оставшуюся часть тепла холодильнику.

Основные части теплового двигателя

Любой тепловой двигатель, независимо от его конструкции, включает в себя три обязательные части:

1. Нагреватель — источник тепла с высокой температурой $T_1$, от которого рабочее тело получает энергию ($Q_1$). В автомобильных двигателях это сгорающее топливо, на теплоэлектростанциях — паровой котел.

2. Рабочее тело — вещество, которое непосредственно совершает работу, расширяясь при нагревании. Это может быть пар, газ, продукты сгорания топлива.

3. Холодильник — объект или среда с низкой температурой $T_2$, которому рабочее тело отдает "неиспользованную" часть теплоты ($Q_2$), чтобы вернуться в начальное состояние. Обычно в роли холодильника выступает окружающая среда (атмосфера, вода в реке).

Ответ: Основными частями теплового двигателя являются нагреватель, рабочее тело и холодильник.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Эффективность преобразования теплоты в работу характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД), обозначаемым $\eta$. КПД равен отношению совершенной полезной работы $\text{A}$ к количеству теплоты $Q_1$, полученной от нагревателя.

Математически это выражается формулой: $\eta = \frac{A}{Q_1}$.

Так как $A = Q_1 - Q_2$, формулу можно переписать: $\eta = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}$.

Из формулы видно, что КПД всегда меньше единицы (100%), так как количество отданной теплоты $Q_2$ всегда больше нуля. Французский инженер Сади Карно теоретически доказал, что максимально возможный КПД для идеального теплового двигателя 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 повышения КПД необходимо увеличивать температуру нагревателя или понижать температуру холодильника.

Ответ: КПД теплового двигателя — это отношение полезной работы к полученному количеству теплоты, которое всегда меньше 100% и в идеальном случае зависит от температур нагревателя и холодильника.

Виды и примеры тепловых двигателей

Существует множество видов тепловых двигателей, которые классифицируются по разным критериям. Наиболее распространенное деление — по месту сгорания топлива:

• Двигатели внутреннего сгорания (ДВС). В них топливо сгорает прямо в рабочей камере, и продукты сгорания становятся рабочим телом. Примеры: бензиновые и дизельные двигатели автомобилей, газотурбинные двигатели самолетов, реактивные двигатели ракет.

• Двигатели внешнего сгорания. В них источник тепла находится снаружи, и энергия передается рабочему телу через теплообменник. Примеры: паровая машина, паровая турбина (используется на ТЭС и АЭС), двигатель Стирлинга.

Ответ: Тепловые двигатели делятся на двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и внешнего сгорания (паровые машины, турбины).