Номер 1, страница 43 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 3. Тепловые машины. Параграф 11. Тепловые двигатели - номер 1, страница 43.

Условие.

1. Какие устройства называют тепловыми двигателями?

Решение.

1. Какие устройства называют тепловыми двигателями?

Тепловыми двигателями называют устройства, которые преобразуют внутреннюю энергию топлива (или любую другую тепловую энергию) в механическую работу. Эти устройства работают циклически. В любом тепловом двигателе есть три основных элемента: нагреватель, рабочее тело и холодильник. Нагреватель — это источник тепловой энергии с высокой температурой $T_1$, от которого рабочее тело получает количество теплоты $Q_1$. Рабочее тело (например, газ или пар) — это вещество, которое совершает работу, расширяясь при нагревании. Холодильник — это объект с более низкой температурой $T_2$, которому рабочее тело отдает некоторое количество теплоты $Q_2$ для завершения цикла.

Принцип работы заключается в том, что рабочее тело, получив тепло от нагревателя, расширяется и совершает механическую работу $\text{A}$. Затем, чтобы вернуть рабочее тело в исходное состояние и замкнуть цикл, его необходимо сжать, отводя тепло к холодильнику. Полезная работа за цикл равна разности между полученной от нагревателя и отданной холодильнику теплотой: $A = Q_1 - Q_2$. Примерами тепловых двигателей являются двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина, реактивный двигатель.

Ответ: Тепловые двигатели — это циклически действующие машины, которые преобразуют тепловую энергию в механическую работу за счет разности температур между нагревателем и холодильником.

2. Какой закон термодинамики лежит в основе действия тепловых двигателей?

В основе действия тепловых двигателей лежит первый закон термодинамики, который является законом сохранения энергии для тепловых процессов. Согласно этому закону, количество теплоты $\text{Q}$, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии $\Delta U$ и на совершение системой работы $\text{A}$ над внешними телами: $Q = \Delta U + A$.

Тепловой двигатель работает циклически, то есть рабочее тело периодически возвращается в свое начальное состояние. За один полный цикл изменение внутренней энергии рабочего тела равно нулю ($\Delta U_{цикл} = 0$). Следовательно, для цикла первый закон термодинамики принимает вид $A_{цикл} = Q_{цикл}$.

Здесь $Q_{цикл}$ — это общее количество теплоты, полученное рабочим телом за цикл. Оно равно разности между количеством теплоты $Q_1$, полученным от нагревателя, и количеством теплоты $Q_2$, отданным холодильнику. Таким образом, работа, совершаемая двигателем за цикл, равна $A = Q_1 - Q_2$. Эта формула, описывающая преобразование части подводимой теплоты в работу, является прямым следствием первого закона термодинамики.

Также важен второй закон термодинамики, который накладывает фундаментальные ограничения на работу тепловых двигателей. Он утверждает, что невозможен вечный двигатель второго рода, то есть циклический процесс, единственным результатом которого было бы превращение в работу всей теплоты, полученной от нагревателя. Это означает, что для работы двигателя обязательно нужен холодильник, которому отдается часть теплоты ($Q_2 > 0$), и коэффициент полезного действия (КПД) любого теплового двигателя всегда меньше 100%.

Ответ: В основе принципа действия тепловых двигателей (преобразование части полученной теплоты в работу) лежит первый закон термодинамики. Второй закон термодинамики определяет условия, при которых это преобразование возможно, и устанавливает предел эффективности (КПД) этого процесса.