Номер 1, страница 96 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

Глава 1. Тепловые явления. Параграф 26. КПД теплового двигателя. Вопросы после параграфа - номер 1, страница 96.

Условие.

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

Решение 1.

Решение 2.

Решение 3.

Решение 4.

1. В тепловых двигателях только часть энергии, выделяющейся при сгорании топлива, преобразуется в механическую работу. Это обусловлено как фундаментальными законами физики, так и практическими причинами.

Основная причина заключается во втором законе термодинамики. Согласно этому закону, невозможно создать циклически действующий двигатель, который бы только забирал теплоту от нагревателя и полностью превращал ее в работу. Для работы теплового двигателя необходим не только источник тепла (нагреватель), но и "холодильник" — тело с более низкой температурой, которому передается часть теплоты, не превращенной в работу. Таким образом, часть энергии неизбежно должна быть отдана холодильнику (в реальных двигателях — окружающей среде через выхлопные газы и систему охлаждения), чтобы рабочий цикл мог замкнуться.

Даже для идеального теплового двигателя, работающего по циклу Карно, коэффициент полезного действия (КПД) всегда меньше 100% и определяется формулой: $ \eta_{идеал} = \frac{T_{нагр} - T_{хол}}{T_{нагр}} = 1 - \frac{T_{хол}}{T_{нагр}} $ где $T_{нагр}$ — абсолютная температура нагревателя, а $T_{хол}$ — абсолютная температура холодильника. КПД мог бы быть равен 100% только в том случае, если бы температура холодильника была равна абсолютному нулю ($0$ К), что недостижимо.

Кроме этой фундаментальной причины, существуют и практические потери энергии:

• Неполное сгорание топлива: не вся химическая энергия топлива успевает выделиться в виде тепла.
• Теплоотдача в окружающую среду: часть тепла теряется через стенки цилиндров, головку блока и другие части двигателя.
• Трение: часть произведенной работы тратится на преодоление сил трения между движущимися частями двигателя (поршень, коленвал и т.д.).
• Выброс энергии с выхлопными газами: отработавшие газы имеют высокую температуру и уносят с собой значительную часть тепловой энергии.

Ответ: В тепловых двигателях только часть энергии топлива идёт на совершение механической работы из-за фундаментального ограничения, накладываемого вторым законом термодинамики (необходимость отдавать часть тепла холодильнику), а также из-за практических потерь энергии на трение, неполное сгорание топлива и отвод тепла в окружающую среду, в том числе с выхлопными газами.

2. Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют физическую величину, которая показывает, какая доля энергии, полученной от нагревателя (при сгорании топлива), превращается в полезную механическую работу. КПД является основной характеристикой эффективности теплового двигателя.

КПД, обозначаемый греческой буквой $ \eta $ (эта), определяется как отношение совершенной полезной работы $ A_{полезная} $ к количеству теплоты $ Q_{нагревателя} $ (или $ Q_1 $), полученному рабочим телом от нагревателя за цикл:

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

Поскольку 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 — это безразмерная величина. Её часто выражают в процентах, для этого полученное значение умножают на 100%.

Ответ: КПД теплового двигателя — это отношение полезной механической работы, совершенной двигателем, к количеству теплоты, полученному от сгорания топлива. Формула для расчета: $ \eta = \frac{A_{полезная}}{Q_{нагревателя}} $.