Номер 2, страница 89 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

2. Что называют КПД теплового двигателя?

2. Что называют КПД теплового двигателя?

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют физическую величину, которая показывает, какая доля энергии, полученной от нагревателя, преобразуется в полезную механическую работу. Иными словами, КПД характеризует эффективность преобразования теплоты в работу.

КПД, обозначаемый греческой буквой $η$ (эта), определяется как отношение полезной работы $A_{полезная}$, совершённой двигателем, к количеству теплоты $Q_{нагревателя}$, полученному от нагревателя (например, при сгорании топлива).

Формула для расчёта КПД:

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

Часто КПД выражают в процентах, для этого результат умножают на 100%:

$η = \frac{A_{полезная}}{Q_{нагревателя}} \cdot 100\%$

Согласно первому закону термодинамики, работа, совершаемая двигателем за цикл, равна разности между количеством теплоты, полученным от нагревателя $Q_{нагревателя}$, и количеством теплоты, отданным холодильнику $Q_{холодильника}$: $A_{полезная} = Q_{нагревателя} - Q_{холодильника}$. Поэтому формулу КПД можно записать и так:

$η = \frac{Q_{нагревателя} - Q_{холодильника}}{Q_{нагревателя}} = 1 - \frac{Q_{холодильника}}{Q_{нагревателя}}$

Ответ: КПД теплового двигателя — это отношение полезной работы, совершённой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя. Он показывает эффективность преобразования тепловой энергии в механическую работу.

3. Почему КПД двигателя меньше 100%?

КПД любого теплового двигателя принципиально не может быть равен 100% по двум основным группам причин: из-за фундаментальных законов термодинамики и из-за неизбежных практических потерь энергии.

1. Фундаментальная термодинамическая причина:

Тепловой двигатель работает циклически. Согласно второму закону термодинамики, для осуществления непрерывного циклического процесса невозможно преобразовать всю полученную теплоту в работу. Часть теплоты обязательно должна быть передана от рабочего тела более холодному телу — холодильнику (обычно это окружающая среда). Без отдачи тепла холодильнику рабочее тело не сможет вернуться в исходное состояние, и цикл не замкнется. Эта принципиально неустранимая потеря энергии означает, что часть теплоты от нагревателя ($Q_{холодильника}$) не превращается в работу.

Максимально возможный КПД для идеального теплового двигателя (двигателя Карно), работающего между абсолютными температурами нагревателя $T_{нагревателя}$ и холодильника $T_{холодильника}$, определяется формулой:

$η_{max} = 1 - \frac{T_{холодильника}}{T_{нагревателя}}$

Поскольку температура холодильника всегда выше абсолютного нуля ($T_{холодильника} > 0 \text{ К}$), то КПД всегда будет меньше единицы (100%).

2. Практические причины (необратимые процессы в реальных двигателях):

В реальных установках существуют дополнительные источники потерь, которые еще больше снижают КПД по сравнению с идеальным:

Трение: Часть произведенной работы тратится на преодоление сил трения между движущимися частями двигателя (например, поршнем и цилиндром). Эта энергия преобразуется в тепло и бесполезно рассеивается.

Теплоотдача: Не вся теплота от сгорания топлива передается рабочему телу. Значительная ее часть уходит в окружающую среду через систему охлаждения и с горячими выхлопными газами.

Неполное сгорание топлива: В реальных условиях топливо может сгорать не полностью, из-за чего выделяется меньше тепловой энергии, чем теоретически возможно.

Затраты на вспомогательные процессы: Часть энергии расходуется на привод вспомогательных систем двигателя, таких как насосы (топливный, масляный, водяной), генератор, вентилятор охлаждения и газораспределительный механизм.

Ответ: КПД двигателя меньше 100% из-за фундаментального требования второго закона термодинамики, согласно которому для работы циклического двигателя необходимо отдавать часть тепла холодильнику, а также из-за неизбежных практических потерь энергии на трение, неполный теплообмен, неполное сгорание топлива и работу вспомогательных механизмов.