Номер 2, страница 43 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 3. Тепловые машины. Параграф 11. Тепловые двигатели - номер 2, страница 43.

Условие.

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

Решение.

1. Какие устройства называют тепловыми двигателями?

Тепловыми двигателями называют устройства, которые преобразуют внутреннюю энергию (теплоту) в механическую работу. Принцип их действия основан на совершении рабочим телом (газом или паром) работы при его расширении в ходе циклического процесса.
Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей:
1. Нагреватель — система с высокой температурой $T_1$, которая является источником энергии. Рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты $Q_1$.
2. Рабочее тело — вещество (например, газ или пар), которое расширяется, совершая механическую работу, и сжимается, возвращаясь в исходное состояние.
3. Холодильник (охладитель) — система с более низкой температурой $T_2$, которой рабочее тело отдает некоторое количество теплоты $Q_2$, не превращенное в работу.
К тепловым двигателям относятся двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, реактивные двигатели.
Ответ: Тепловыми двигателями называют устройства, циклически преобразующие тепловую энергию, получаемую от нагревателя, в механическую работу, при этом часть энергии обязательно передается холодильнику.

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

В основе действия тепловых двигателей лежат два начала (закона) термодинамики.
Первый закон термодинамики, по сути, является законом сохранения энергии для тепловых процессов. Он гласит, что количество теплоты $\text{Q}$, переданное системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии $\Delta U$ и на совершение системой работы $\text{A}$: $Q = \Delta U + A$. Поскольку тепловой двигатель работает циклически, то по окончании каждого цикла рабочее тело возвращается в свое первоначальное состояние, а значит, изменение его внутренней энергии за цикл равно нулю ($\Delta U = 0$). В этом случае вся подведенная теплота идет на совершение работы. Работа, совершаемая двигателем за цикл, равна разности количества теплоты $Q_1$, полученного от нагревателя, и количества теплоты $Q_2$, отданного холодильнику:
$A = Q_1 - Q_2$
Второй закон термодинамики определяет направление протекания тепловых процессов и накладывает фундаментальные ограничения на КПД тепловых двигателей. Одна из его формулировок (постулат Кельвина) гласит: невозможно создать циклически действующее устройство, единственным результатом работы которого было бы превращение в работу всей теплоты, полученной от единственного источника (нагревателя). Это означает, что для работы теплового двигателя обязательно нужен холодильник, которому будет передаваться часть теплоты ($Q_2 > 0$). Следовательно, коэффициент полезного действия (КПД) любого теплового двигателя всегда меньше единицы (100%):
$\eta = \frac{A}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} < 1$
Таким образом, первый закон объясняет энергетический баланс в двигателе, а второй — принципиальную невозможность полного преобразования тепла в работу.
Ответ: В основе действия тепловых двигателей лежат первый и второй законы термодинамики.