Номер 3, страница 89 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

3. Почему КПД двигателя меньше 100%?

Решение

Коэффициент полезного действия (КПД) любого двигателя, в частности теплового, принципиально не может достигать 100%. Это обусловлено как фундаментальными законами природы, так и практическими несовершенствами конструкции.

КПД определяется как отношение полезной работы $A_{полезная}$, совершенной двигателем, к общему количеству энергии $Q_{затраченная}$, полученной от источника (например, от сгорания топлива):

$ \eta = \frac{A_{полезная}}{Q_{затраченная}} \times 100\% $

Причины, по которым КПД всегда меньше 100%, можно разделить на две основные группы.

1. Фундаментальные термодинамические ограничения (Второй закон термодинамики)

Согласно второму закону термодинамики, невозможно создать циклически действующую тепловую машину, которая бы полностью преобразовывала всю полученную от нагревателя теплоту в работу. Часть теплоты в обязательном порядке должна быть передана более холодному телу — холодильнику (в реальных условиях — окружающей среде).

Максимально возможный КПД для идеального теплового двигателя, работающего между температурой нагревателя $T_{нагревателя}$ и температурой холодильника $T_{холодильника}$ (температуры измеряются в Кельвинах), описывается циклом Карно:

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

Из этой формулы видно, что КПД мог бы быть равен 100% (или 1) только в том случае, если бы температура холодильника была равна абсолютному нулю ($T_{холодильника} = 0 \text{ К}$), что является практически недостижимым. Поскольку температура окружающей среды всегда выше абсолютного нуля, всегда будет существовать теоретический предел КПД, который меньше 100%.

2. Практические потери энергии в реальных двигателях

Реальные двигатели далеки от идеальных, и в них существуют дополнительные, неустранимые на практике, потери энергии, которые еще больше снижают КПД:

• Трение: Часть полезной работы двигателя тратится на преодоление сил трения между его движущимися частями (например, между поршнями и стенками цилиндров, во вращающихся подшипниках). Эта энергия преобразуется в тепло и бесполезно рассеивается.
• Теплообмен с окружающей средой: Значительная часть теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, не идет на совершение работы, а теряется, уходя через стенки цилиндров, систему охлаждения и выхлопную систему в окружающую среду. Это и есть та самая обязательная передача тепла "холодильнику".
• Неполное сгорание топлива: В реальных условиях топливо в цилиндрах сгорает не полностью. Часть его химической энергии не высвобождается и выбрасывается вместе с выхлопными газами.
• Высокая температура выхлопных газов: Отработавшие газы покидают двигатель очень горячими, унося с собой большую долю тепловой энергии, которая могла бы быть преобразована в работу. Это одна из самых значительных статей потерь в двигателях внутреннего сгорания.
• Затраты на привод вспомогательных механизмов: Двигатель тратит часть своей мощности на работу систем, обеспечивающих его функционирование: генератора, водяного и масляного насосов, вентилятора и т.д.

Таким образом, из-за суммы фундаментальных ограничений и практических потерь полезная работа $A_{полезная}$ всегда оказывается существенно меньше затраченной энергии $Q_{затраченная}$, что и делает КПД любого реального двигателя всегда меньше 100%.

Ответ: КПД двигателя меньше 100% из-за фундаментального запрета, накладываемого вторым законом термодинамики (невозможность полного преобразования тепла в работу без передачи части тепла холодильнику), а также из-за неизбежных практических потерь энергии на трение, теплоотдачу в окружающую среду, неполное сгорание топлива и унос энергии с горячими выхлопными газами.