Номер 3, страница 96 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

Вопросы после параграфа. § 26. КПД теплового двигателя. Глава 1. Тепловые явления - номер 3, страница 96.

3. Почему КПД двигателя меньше 100%?

3. Почему КПД двигателя меньше 100%?

Коэффициент полезного действия (КПД) любого двигателя принципиально не может достигать 100% из-за фундаментальных законов физики и практических потерь энергии. КПД определяется как отношение полезной работы $A_{полезная}$, совершаемой 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: фундаментальные (теоретические) и практические (технические).

Фундаментальные причины (законы термодинамики)

1. Второй закон термодинамики. Это главная причина. Второй закон термодинамики гласит, что невозможно создать циклически действующую тепловую машину, единственным результатом работы которой было бы преобразование всей теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу. Для работы любого теплового двигателя необходимо наличие не только "нагревателя" (источника тепла с температурой $T_{нагревателя}$), но и "холодильника" (среды с более низкой температурой $T_{холодильника}$), которому двигатель будет отдавать часть теплоты, не превращенной в работу.

Таким образом, вся полученная от нагревателя энергия $Q_{нагревателя}$ ($Q_{затраченная}$) расходуется на совершение полезной работы $A_{полезная}$ и на передачу теплоты холодильнику $Q_{холодильника}$:

$Q_{нагревателя} = A_{полезная} + Q_{холодильника}$

Поскольку количество теплоты, отданное холодильнику, $Q_{холодильника}$ всегда больше нуля (невозможно избежать сброса тепла в окружающую среду), то полезная работа $A_{полезная}$ всегда будет меньше, чем полученная энергия $Q_{нагревателя}$. Следовательно, КПД $\eta = \frac{A_{полезная}}{Q_{нагревателя}}$ всегда меньше 1 (или 100%).

2. Предел Карно. Французский ученый Сади Карно теоретически описал идеальный тепловой двигатель, работающий по так называемому циклу Карно. КПД такого идеального двигателя является максимально возможным для любых тепловых машин, работающих в том же диапазоне температур. КПД цикла Карно определяется формулой:

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

Из этой формулы видно, что даже у идеального двигателя КПД мог бы быть равен 100% только в двух гипотетических случаях:

• Если бы температура холодильника была равна абсолютному нулю ($T_{холодильника} = 0$ К). Согласно третьему закону термодинамики, абсолютный нуль недостижим.
• Если бы температура нагревателя была бесконечно большой ($T_{нагревателя} \to \infty$), что также технически невозможно.

Практические причины (технические потери)

Реальные двигатели имеют КПД значительно ниже даже теоретического предела Карно из-за различных неизбежных потерь энергии:

• Трение. В любом механизме существуют силы трения между движущимися частями (поршни в цилиндрах, подшипники, валы). Работа по преодолению трения превращается в теплоту, которая бесполезно рассеивается в окружающую среду.
• Теплообмен с окружающей средой. Часть тепла от сгорания топлива уходит напрямую в окружающую среду через стенки цилиндров и систему охлаждения (радиатор), не совершая работы.
• Неполное сгорание топлива. В двигателях внутреннего сгорания не все топливо успевает сгореть, и часть его химической энергии не высвобождается.
• Тепловые потери с выхлопными газами. Отработавшие газы, покидающие двигатель, имеют очень высокую температуру. Уносимая ими тепловая энергия и есть та самая теплота $Q_{холодильника}$, которая является одной из самых больших статей потерь в реальных ДВС.
• Затраты на вспомогательные механизмы. Часть мощности двигателя расходуется на привод генератора, насоса системы охлаждения, масляного насоса и т.д.

Ответ:

КПД двигателя меньше 100% по двум основным группам причин. Во-первых, согласно второму закону термодинамики, ни один тепловой двигатель не может преобразовать всю полученную теплоту в работу; часть теплоты обязательно должна быть передана более холодному телу ("холодильнику"), что устанавливает фундаментальный теоретический предел эффективности. Во-вторых, в реальных двигателях существуют неизбежные практические потери энергии: на преодоление сил трения, на прямую теплоотдачу в окружающую среду (через систему охлаждения), из-за неполного сгорания топлива и с горячими выхлопными газами.