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

Обсуди с товарищем. § 26. КПД теплового двигателя. Глава 1. Тепловые явления - номер 1, страница 96.

1. Можно ли внутреннюю энергию полностью превратить в механическую?

1. Нет, внутреннюю энергию невозможно полностью превратить в механическую работу. Это утверждение является прямым следствием фундаментальных законов природы — второго и третьего начал термодинамики.

Рассмотрим этот вопрос для двух основных сценариев: циклических и нециклических процессов.

Циклические процессы. В этом случае речь идет о работе тепловых двигателей (например, двигатель внутреннего сгорания или паровая турбина), которые работают в повторяющемся цикле. Второе начало термодинамики в формулировке Кельвина-Планка гласит, что невозможно создать периодически действующий двигатель, который совершал бы работу только за счет охлаждения одного теплового резервуара. Для работы любого теплового двигателя необходимо наличие как минимум двух тел с разными температурами:

• Нагреватель (горячий резервуар) с температурой $T_1$, от которого рабочее тело (например, газ) получает количество теплоты $Q_1$.
• Холодильник (холодный резервуар) с температурой $T_2$, которому рабочее тело отдает часть энергии в виде теплоты $Q_2$, которая не была преобразована в работу.

Совершенная за цикл механическая работа $A$ равна разности полученной и отданной теплоты: $A = Q_1 - Q_2$. Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя определяется как отношение совершенной работы к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

$\eta = \frac{A}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}$

Полное превращение внутренней энергии (в виде теплоты $Q_1$) в работу ($A = Q_1$) означало бы, что КПД равен 100%. Из формулы видно, что это возможно только если $Q_2 = 0$, то есть вся теплота от нагревателя превращается в работу без потерь на холодильник. Это прямо противоречит второму началу термодинамики. Часть энергии всегда должна быть передана холодильнику для того, чтобы система могла вернуться в исходное состояние и замкнуть цикл.

Даже для самого эффективного теоретически возможного двигателя, работающего по циклу Карно, КПД всегда меньше 100% и равен:

$\eta_{Карно} = 1 - \frac{T_2}{T_1}$

КПД мог бы достигнуть 100% только при условии, что температура холодильника $T_2$ равна абсолютному нулю ($0$ К). Однако, согласно третьему началу термодинамики (теореме Нернста), достижение температуры абсолютного нуля невозможно.

Нециклические процессы. Можно представить себе однократный процесс, например, адиабатное расширение газа в вакуум. В этом процессе работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии газа ($A = -\Delta U$). Чтобы превратить всю внутреннюю энергию тела в работу, его конечная внутренняя энергия должна стать равной нулю. Для газа это соответствует охлаждению до температуры абсолютного нуля, что, как уже было сказано, невозможно.

Таким образом, фундаментальные законы физики накладывают запрет на полное преобразование внутренней энергии в механическую.

Ответ: Нет, полностью превратить внутреннюю энергию в механическую невозможно. Это запрещено вторым и третьим началами термодинамики.