Номер 2, страница 96 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

Вопросы после параграфа. § 26. КПД теплового двигателя. Глава 1. Тепловые явления - номер 2, страница 96.

2. Что называют КПД теплового двигателя?

2. Что называют КПД теплового двигателя?

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют физическую величину, которая показывает, какую долю от всей полученной двигателем энергии составляет совершённая им полезная механическая работа. Иными словами, КПД характеризует эффективность преобразования тепловой энергии в механическую работу.

КПД обозначается греческой буквой $\eta$ (эта) и рассчитывается как отношение полезной работы $A_{полезная}$, совершённой двигателем, к количеству теплоты $Q_1$, полученному от нагревателя (например, при сгорании топлива).

Формула для расчёта КПД: $$ \eta = \frac{A_{полезная}}{Q_1} $$ КПД можно выражать как в долях единицы, так и в процентах. Для получения значения в процентах результат умножают на 100%: $$ \eta = \frac{A_{полезная}}{Q_1} \cdot 100\% $$

Согласно первому закону термодинамики для теплового двигателя, совершённая работа равна разности между количеством теплоты, полученным от нагревателя ($Q_1$), и количеством теплоты, отданным холодильнику ($Q_2$): $A_{полезная} = Q_1 - Q_2$. Поэтому формулу для КПД можно записать и в таком виде: $$ \eta = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1} $$ В этих формулах $A_{полезная}$ – это полезная работа, совершаемая двигателем, $Q_1$ – количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя, а $Q_2$ – количество теплоты, отданное рабочим телом холодильнику (окружающей среде).

Ответ: КПД теплового двигателя – это отношение полезной работы, совершённой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя, показывающее эффективность преобразования тепла в работу.

3. Почему КПД двигателя меньше 100%?

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя всегда меньше 100%. Это обусловлено как фундаментальными законами термодинамики, так и практическими причинами, связанными с конструкцией реальных машин.

Фундаментальная причина кроется во втором законе термодинамики. Тепловой двигатель работает циклически. Чтобы рабочий цикл мог повторяться, рабочее тело (например, газ в цилиндре) после совершения работы должно вернуться в исходное состояние. Для этого ему необходимо отдать часть полученной теплоты более холодному телу – холодильнику (обычно это окружающая среда). Невозможно создать циклически действующий двигатель, который бы только получал тепло от нагревателя и полностью превращал его в работу, не отдавая часть тепла холодильнику.

Поскольку часть энергии ($Q_2$) всегда неизбежно передаётся холодильнику и не преобразуется в работу, полезная работа $A_{полезная}$ всегда меньше, чем полученная энергия $Q_1$. Из формулы КПД $\eta = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}$ видно, что раз $Q_2 > 0$, то $\eta$ всегда будет меньше 1 (или 100%).

Даже для идеального теплового двигателя, работающего по циклу Карно, максимальный теоретически возможный КПД определяется только температурами нагревателя ($T_1$) и холодильника ($T_2$), выраженными в кельвинах: $$ \eta_{max} = \frac{T_1 - T_2}{T_1} = 1 - \frac{T_2}{T_1} $$ Так как температура холодильника $T_2$ всегда выше абсолютного нуля ($0$ K), КПД идеального двигателя также всегда меньше 100%.

Практические причины связаны с энергетическими потерями в реальных двигателях, которые еще больше снижают КПД. Основными из них являются: трение между движущимися частями двигателя; теплообмен с окружающей средой, когда тепло теряется через стенки цилиндров и выхлопную систему; неполное сгорание топлива, из-за которого выделяется меньше теплоты; а также затраты энергии на работу вспомогательных механизмов (насосов, генератора и т.д.).

Из-за совокупности этих факторов КПД реальных тепловых двигателей значительно ниже теоретического предела, обычно составляя 20–50%.

Ответ: КПД двигателя меньше 100% из-за фундаментального требования второго закона термодинамики, согласно которому для осуществления циклического процесса необходимо отдавать часть тепла холодильнику, а также из-за неизбежных практических потерь энергии на трение, теплообмен с окружающей средой и неполное сгорание топлива.