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).

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.

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.

1. Можно ли внутреннюю энергию полностью превратить в механическую?

1. Нет, полностью превратить внутреннюю энергию в механическую в ходе циклического процесса невозможно. Это утверждение является одной из формулировок второго закона термодинамики, известной как постулат Кельвина (или Томсона).

Любое устройство, которое преобразует тепловую (внутреннюю) энергию в механическую работу, называется тепловым двигателем. Для того чтобы такой двигатель мог работать непрерывно (в цикле), ему необходимо взаимодействовать как минимум с двумя тепловыми резервуарами с разными температурами:

• Нагреватель (горячий резервуар) с температурой $T_1$, от которого рабочее тело получает количество теплоты $Q_1$.
• Холодильник (холодный резервуар) с температурой $T_2$, которому рабочее тело отдает количество теплоты $Q_2$.

Согласно первому закону термодинамики (закону сохранения энергии), работа $A$, совершаемая двигателем за один цикл, равна разности между полученной и отданной теплотой: $A = Q_1 - Q_2$.

Полное преобразование внутренней энергии в работу означало бы, что вся полученная от нагревателя теплота $Q_1$ переходит в работу $A$, то есть $A = Q_1$. Это было бы возможно только в том случае, если бы количество теплоты, отданное холодильнику, было равно нулю ($Q_2 = 0$). Однако второй закон термодинамики запрещает создание такого процесса. Невозможно создать "вечный двигатель второго рода" — машину, которая, работая в цикле, только извлекала бы тепло из одного резервуара и полностью превращала бы его в работу. Часть теплоты всегда должна быть передана холодильнику, чтобы рабочее тело могло вернуться в исходное состояние и замкнуть цикл.

Максимально возможный коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя определяется циклом Карно и зависит только от абсолютных температур нагревателя и холодильника: $ \eta_{max} = \frac{T_1 - T_2}{T_1} = 1 - \frac{T_2}{T_1} $

Из этой формулы видно, что КПД может быть равен 100% ($ \eta = 1 $) только при условии, что температура холодильника $T_2$ равна абсолютному нулю ($0$ К). Согласно третьему закону термодинамики, достичь температуры абсолютного нуля практически невозможно. Поэтому КПД любого реального и даже идеального теплового двигателя всегда меньше 100%.

Примечание: В рамках одного нециклического процесса, например, при изотермическом расширении идеального газа, вся подведенная теплота может быть полностью преобразована в работу. Однако при этом состояние системы изменяется, и для возврата системы в исходное состояние (т.е. для завершения цикла) необходимо совершить работу и отвести тепло.

Ответ: Нет, в соответствии со вторым законом термодинамики невозможно полностью преобразовать внутреннюю энергию в механическую работу в ходе циклического процесса. Часть внутренней энергии в виде теплоты неизбежно будет передана более холодному телу (холодильнику).

2. Приведите примеры известных вам тепловых двигателей. Что служит в этих двигателях нагревателем; холодильником? Что используется в качестве рабочего тела?

Решение

Тепловой двигатель — это устройство, которое циклически преобразует тепловую энергию в механическую работу. Принцип действия любого теплового двигателя основан на работе трех основных частей: нагревателя, рабочего тела и холодильника. Ниже приведены примеры известных тепловых двигателей.

Паровая турбина

Этот тип двигателя широко используется на тепловых и атомных электростанциях для выработки электроэнергии.

Нагреватель: В качестве нагревателя выступает паровой котел (на ТЭС) или ядерный реактор (на АЭС). В них за счет сжигания органического топлива или энергии цепной реакции деления ядер вода преобразуется в перегретый пар высокой температуры и давления.

Холодильник: Функцию холодильника выполняет конденсатор. В нем отработавший в турбине пар отдает теплоту и конденсируется обратно в воду. Охлаждающей средой для конденсатора служит окружающая среда — как правило, вода из реки, озера или специального пруда-охладителя, либо атмосферный воздух (с использованием градирен).

Рабочее тело: В качестве рабочего тела используется водяной пар.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

ДВС является основой большинства современных автомобилей, мотоциклов и другой техники.

Нагреватель: Нагревателем является сама горючая смесь (например, бензина или дизельного топлива с воздухом), которая воспламеняется и сгорает непосредственно в цилиндрах двигателя. Таким образом, источник тепла находится внутри самого двигателя.

Холодильник: Роль холодильника играет окружающая среда (атмосфера). Теплота, которая не была преобразована в полезную работу, отводится от горячих частей двигателя через систему охлаждения (радиатор) и уносится с горячими выхлопными газами.

Рабочее тело: Рабочим телом служат раскаленные газы, образующиеся в результате сгорания топлива (продукты сгорания).

Реактивный двигатель

Данный тип двигателей используется в авиации для приведения в движение самолетов.

Нагреватель: Нагревателем служит камера сгорания, в которой непрерывно сжигается топливо (авиационный керосин) в потоке воздуха, который предварительно сжимается компрессором двигателя.

Холодильник: Холодильником, как и в ДВС, является окружающая среда (атмосфера). В нее с огромной скоростью выбрасываются горячие продукты сгорания, создавая реактивную тягу.

Рабочее тело: Рабочим телом являются продукты сгорания топлива, смешанные с избыточным воздухом.

Ответ:

Примеры тепловых двигателей и их основные компоненты:

1. Паровая турбина: нагревателем является паровой котел, холодильником — конденсатор (охлаждаемый окружающей средой), а рабочим телом — водяной пар.

2. Двигатель внутреннего сгорания: нагревателем является сгорающая в цилиндрах топливная смесь, холодильником — окружающая среда, рабочим телом — продукты сгорания.

3. Реактивный двигатель: нагревателем является камера сгорания, холодильником — окружающая среда, а рабочим телом — продукты сгорания.