Номер 5, страница 50 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 3. Тепловые машины. Параграф 13. Паровая турбина. КПД тепловых двигателей. Вопросы - номер 5, страница 50.

Условие.

5. Почему КПД реальных тепловых двигателей всегда меньше единицы?

Решение.

5. Почему КПД реальных тепловых двигателей всегда меньше единицы?

Решение

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя определяется как отношение совершенной полезной работы $A_{полезная}$ к количеству теплоты $Q_1$, полученному от нагревателя: $\eta = \frac{A_{полезная}}{Q_1}$. Согласно первому закону термодинамики, для циклического процесса работа равна разности между количеством теплоты, полученным от нагревателя ($Q_1$), и количеством теплоты, отданным холодильнику ($Q_2$): $A_{полезная} = Q_1 - Q_2$. Таким образом, КПД можно выразить как $\eta = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}$.

КПД реальных тепловых двигателей всегда меньше единицы (то есть меньше 100%) по двум основным группам причин.

Во-первых, это фундаментальные термодинамические ограничения. Согласно второму закону термодинамики, невозможно создать циклически действующий двигатель, который бы только получал теплоту от нагревателя и полностью превращал ее в работу, не отдавая часть теплоты более холодному телу — холодильнику. Для того чтобы КПД был равен 1, необходимо, чтобы количество теплоты, отданное холодильнику, $Q_2$, было равно нулю. Это означало бы создание вечного двигателя второго рода, что запрещено. Таким образом, наличие холодильника и передача ему ненулевого количества теплоты ($Q_2 > 0$) является принципиально необходимым условием для работы любого теплового двигателя, из чего следует, что $\eta$ всегда меньше 1. Максимально возможный КПД для тепловой машины, работающей с нагревателем температуры $T_1$ и холодильником температуры $T_2$, определяется КПД идеального цикла Карно: $\eta_{max} = 1 - \frac{T_2}{T_1}$. Этот КПД стал бы равен 1 только в случае, если бы температура холодильника $T_2$ была равна абсолютному нулю ($\text{0}$ К), что практически недостижимо.

Во-вторых, это необратимые потери в реальных двигателях. В реальных условиях, помимо фундаментальных ограничений, существуют дополнительные источники потерь, которые делают КПД еще ниже, чем у идеальной машины. К таким потерям относятся: механическое трение между движущимися частями двигателя, которое преобразует часть полезной работы обратно в тепло; неконтролируемый теплообмен с окружающей средой, из-за которого часть теплоты от нагревателя бесполезно рассеивается; а также неидеальность и неполнота термодинамических процессов, например, неполное сгорание топлива или быстрые, необратимые процессы расширения и сжатия рабочего тела.

Из-за этих двух факторов — принципиальной необходимости отдавать тепло холодильнику и наличия различных практических потерь — КПД любого реального теплового двигателя всегда строго меньше единицы.

Ответ: КПД реальных тепловых двигателей всегда меньше единицы из-за фундаментального запрета, накладываемого вторым законом термодинамики (невозможность полного преобразования теплоты в работу без передачи части тепла холодильнику), а также из-за неизбежных практических потерь энергии на трение, неполное сгорание топлива и неконтролируемый теплообмен с окружающей средой.