Номер 1, страница 53 - гдз по физике 8 класс учебник Изергин

Глава I. Тепловые явления. Параграф 8. Тепловые двигатели - номер 1, страница 53.

Условие.

1. Каковы принципы действия теплового двигателя?

Решение.

Решение

Тепловой двигатель — это устройство, которое циклически преобразует тепловую энергию в механическую работу. Принцип действия любого теплового двигателя основан на законах термодинамики и для его работы необходимы три основных компонента:

1. Нагреватель — источник тепла с высокой температурой $T_1$, от которого рабочее тело получает количество теплоты $Q_1$. В двигателях внутреннего сгорания, например, роль нагревателя выполняет сгорающая топливовоздушная смесь.

2. Рабочее тело — вещество (обычно газ или пар), которое совершает механическую работу за счет своего расширения при нагревании.

3. Холодильник — объект или среда с более низкой температурой $T_2$, которому рабочее тело отдает некоторое количество теплоты $Q_2$. Это необходимо для того, чтобы рабочее тело могло вернуться в свое первоначальное состояние, завершив цикл. Чаще всего в роли холодильника выступает окружающая среда.

Процесс работы теплового двигателя представляет собой повторяющийся цикл, состоящий из нескольких этапов:

Этап 1: Получение теплоты и расширение. Рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты $Q_1$. Его внутренняя энергия, температура и давление возрастают, что приводит к его расширению. Расширяясь, рабочее тело совершает полезную механическую работу $\text{A}$ (например, толкает поршень).

Этап 2: Отдача теплоты и сжатие. Чтобы двигатель мог работать непрерывно, рабочее тело должно вернуться в исходное состояние. Для этого его необходимо сжать. Чтобы работа, затрачиваемая на сжатие, была меньше работы, полученной при расширении, рабочее тело предварительно охлаждают. Оно отдает количество теплоты $Q_2$ холодильнику, его температура и давление понижаются.

Согласно первому закону термодинамики (закону сохранения энергии), полезная работа, совершаемая двигателем за один цикл, равна разности между количеством теплоты, полученным от нагревателя, и количеством теплоты, отданным холодильнику:

$A = Q_1 - Q_2$

Эффективность теплового двигателя характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД), который показывает, какая доля полученной теплоты преобразуется в полезную работу:

$\eta = \frac{A}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}$

Второй закон термодинамики гласит, что невозможно создать двигатель, который бы всю полученную от нагревателя теплоту превращал в работу. Это означает, что отдача части тепла холодильнику ($Q_2 > 0$) является принципиально неустранимой, и КПД любого теплового двигателя всегда меньше 100%. Максимально возможный КПД для идеального теплового двигателя (работающего по циклу Карно) зависит только от абсолютных температур нагревателя ($T_1$) и холодильника ($T_2$):

$\eta_{max} = 1 - \frac{T_2}{T_1}$

Ответ:

Принцип действия теплового двигателя заключается в циклическом преобразовании теплоты в механическую работу. Для этого рабочее тело (газ или пар) получает энергию от горячего источника (нагревателя), в результате чего расширяется и совершает работу. Затем, для возвращения в исходное состояние и возможности повторения цикла, рабочее тело отдает часть полученной энергии более холодному телу (холодильнику). Полезная работа за цикл равна разности между количеством теплоты, полученным от нагревателя, и количеством теплоты, отданным холодильнику.