Номер 1, страница 89 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Почему в тепловых двигателях только часть энергии топлива идёт на совершение механической работы?

1. Почему в тепловых двигателях только часть энергии топлива идёт на совершение механической работы?

В тепловых двигателях преобразование внутренней энергии топлива в механическую работу не может происходить со стопроцентной эффективностью по ряду фундаментальных и практических причин.

• Термодинамическое ограничение (Второй закон термодинамики): Работа теплового двигателя основана на циклическом процессе, в котором рабочее тело (например, газ) получает тепло от нагревателя (сгорающее топливо), расширяется, совершая работу, а затем должно вернуться в исходное состояние, чтобы цикл мог повториться. Для возвращения в исходное состояние рабочее тело должно отдать часть своей тепловой энергии более холодному телу — холодильнику (обычно это окружающая среда). Согласно второму закону термодинамики, невозможно создать циклически действующий двигатель, который бы только отбирал теплоту у нагревателя и полностью превращал ее в работу. Часть теплоты ($Q_2$) обязательно должна быть передана холодильнику. Максимально возможный КПД (КПД идеального цикла Карно) ограничен разностью температур нагревателя ($T_1$) и холодильника ($T_2$): $\eta_{max} = \frac{T_1 - T_2}{T_1} = 1 - \frac{T_2}{T_1}$. Поскольку температура холодильника всегда выше абсолютного нуля ($T_2 > 0 \text{ K}$), КПД всегда меньше 100%.
• Неполное сгорание топлива: Не всё топливо сгорает в камере сгорания, что означает, что не вся его потенциальная химическая энергия преобразуется в теплоту.
• Тепловые потери в окружающую среду: Значительная часть теплоты, выделяемой при сгорании топлива, уходит в окружающую среду через стенки цилиндров, систему охлаждения и с выхлопными газами, не участвуя в совершении полезной работы. Энергия, уносимая горячими выхлопными газами, является основной формой передачи тепла холодильнику.
• Потери на трение: Часть механической энергии, произведенной двигателем, расходуется на преодоление сил трения между движущимися частями (поршни, подшипники и т.д.). Эта энергия превращается в теплоту и рассеивается.

Ответ: Только часть энергии топлива идет на совершение механической работы из-за фундаментального ограничения, накладываемого вторым законом термодинамики (необходимость отдавать тепло холодильнику для завершения цикла), а также из-за практических потерь энергии: с выхлопными газами, через систему охлаждения, из-за неполного сгорания топлива и на преодоление сил трения.

2. Что называют КПД теплового двигателя?

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют физическую величину, которая показывает, какая доля энергии, полученной от сгорания топлива, преобразуется в полезную механическую работу. КПД является основной характеристикой эффективности работы двигателя.

КПД ($\eta$) определяется как отношение полезной работы ($A_{полезная}$), совершенной двигателем, ко всей энергии ($Q_{нагревателя}$ или $Q_1$), полученной от нагревателя (то есть выделившейся при сгорании топлива):

$\eta = \frac{A_{полезная}}{Q_{нагревателя}}$

Поскольку согласно первому закону термодинамики для циклического процесса совершенная работа равна разности между количеством теплоты, полученной от нагревателя ($Q_1$), и количеством теплоты, отданной холодильнику ($Q_2$), то есть $A_{полезная} = Q_1 - Q_2$, формулу для КПД можно записать и в таком виде:

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

КПД — безразмерная величина, которую часто выражают в процентах, умножая полученное значение на 100%. В реальных тепловых двигателях КПД всегда меньше 1 (или 100%).

Ответ: КПД теплового двигателя — это отношение полезной механической работы, совершенной двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя (сгоревшего топлива).