Страница 96 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

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

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}} $.

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.

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.

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.

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 преобразует тепловую энергию, получаемую при сгорании топлива, в механическую работу. Для работы любого теплового двигателя необходимо наличие трех основных элементов:

• Нагреватель — источник тепловой энергии.
• Рабочее тело — вещество (обычно газ или пар), которое расширяется при нагревании и совершает работу.
• Холодильник — объект, которому рабочее тело отдает часть теплоты, не превращенной в работу. Роль холодильника чаще всего выполняет окружающая среда.

Ниже приведены примеры распространенных тепловых двигателей и описание их ключевых компонентов.

Паровые турбины являются основой большинства современных тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанций.

• Нагреватель: источником тепла служит паровой котел, в котором сжигается топливо (уголь, газ), или ядерный реактор, где тепло выделяется в результате цепной ядерной реакции.
• Рабочее тело: в качестве рабочего тела используется водяной пар. Вода в котле нагревается до кипения, и образовавшийся пар под высоким давлением и с высокой температурой направляется на лопатки турбины.
• Холодильник: эту роль выполняет конденсатор. В нем отработавший пар, совершив работу, охлаждается и конденсируется обратно в воду. Теплота отводится в окружающую среду, как правило, через систему охлаждения с использованием воды из водоема или при помощи градирен (охладительных башен).

Ответ: В паровой турбине нагревателем является паровой котел или ядерный реактор, рабочим телом — водяной пар, а холодильником — конденсатор, передающий тепло окружающей среде.

ДВС — наиболее распространенный тип двигателя, используемый в автомобилях, мотоциклах и другой подвижной технике.

• Нагреватель: нагревателем служит сама топливно-воздушная смесь (на основе бензина или дизельного топлива), которая поджигается и сгорает непосредственно внутри цилиндра двигателя.
• Рабочее тело: рабочим телом являются продукты сгорания — раскаленные газы. Расширяясь, они толкают поршень, который через кривошипно-шатунный механизм вращает коленчатый вал, совершая полезную работу.
• Холодильник: в качестве холодильника выступает окружающая среда. Избыточное тепло отводится от двигателя через систему охлаждения (радиатор) и с потоком горячих выхлопных газов, выбрасываемых в атмосферу.

Ответ: В двигателе внутреннего сгорания нагревателем является сгорающее топливо, рабочим телом — продукты сгорания (газы), а холодильником — окружающая среда.

Реактивные двигатели используются в современной авиации для создания силы тяги.

• Нагреватель: нагревателем является камера сгорания. В нее непрерывно подается сжатый компрессором воздух и топливо (авиационный керосин), которые при сгорании выделяют огромное количество тепла.
• Рабочее тело: рабочим телом, как и в ДВС, являются горячие газы — продукты сгорания топлива.
• Холодильник: холодильником является окружающая атмосфера. Раскаленные газы с огромной скоростью истекают из сопла двигателя, создавая реактивную тягу, и отдают свое тепло в окружающее пространство.

Ответ: В реактивном двигателе нагревателем служит камера сгорания, рабочим телом — продукты сгорания, а холодильником — окружающая атмосфера.