Номер 4, страница 144 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 5. Тепловые свойства газов, жидкостей и твёрдых тел. Параграф 35. Принципы работы тепловых двигателей. Вопросы для самопроверки - номер 4, страница 144.

Условие.

4. Зачем в тепловом двигателе нужен холодильник?

Решение.

4. Холодильник в тепловом двигателе является неотъемлемой частью его конструкции и выполняет несколько ключевых функций, без которых работа двигателя была бы невозможна в соответствии с фундаментальными законами термодинамики:

Обеспечение цикличности работы. Тепловой двигатель работает циклически, то есть его рабочее тело (например, пар или газ) периодически возвращается в исходное состояние. После того как рабочее тело совершило работу за счет расширения, получив тепло от нагревателя, его необходимо сжать и вернуть в первоначальное состояние, чтобы цикл мог повториться. Для этого от рабочего тела нужно отвести тепло, то есть охладить его. Именно эту функцию и выполняет холодильник. Без отвода тепла внутренняя энергия и температура рабочего тела постоянно бы росли, и двигатель остановился бы после первого же такта расширения.

Создание разности давлений. Для совершения полезной работы необходимо, чтобы давление рабочего тела в процессе расширения было значительно выше, чем в процессе сжатия. Холодильник, понижая температуру рабочего тела, вызывает и понижение его давления (например, при конденсации пара в жидкость). Эта разность давлений и позволяет двигателю совершать полезную работу в каждом цикле. Если бы не было холодильника, давление отработанного пара оставалось бы высоким, и оно бы противодействовало движению поршня, что резко снизило бы или свело к нулю полезную работу.

Выполнение второго закона термодинамики. Согласно второму закону термодинамики (в формулировке Кельвина-Планка), невозможно создать циклически действующую тепловую машину, которая бы только забирала теплоту от нагревателя и полностью превращала ее в работу, не передавая часть этой теплоты более холодному телу (холодильнику). Таким образом, наличие холодильника — это фундаментальное требование для преобразования теплоты в работу. Часть полученной от нагревателя энергии ($Q_{нагр}$) неизбежно должна быть отдана холодильнику ($Q_{хол}$).

Повышение коэффициента полезного действия (КПД). Максимально возможный КПД идеального теплового двигателя (КПД цикла Карно) определяется разностью температур нагревателя ($T_{нагр}$) и холодильника ($T_{хол}$), выраженных в кельвинах:
$\eta_{max} = \frac{T_{нагр} - T_{хол}}{T_{нагр}} = 1 - \frac{T_{хол}}{T_{нагр}}$
Из этой формулы видно, что для увеличения КПД необходимо либо повышать температуру нагревателя, либо понижать температуру холодильника. Холодильник обеспечивает низкую температуру $T_{хол}$. Чем эффективнее холодильник отводит тепло и чем ниже его температура, тем выше максимально достижимый КПД теплового двигателя.

Ответ: Холодильник в тепловом двигателе необходим для того, чтобы отводить от рабочего тела часть теплоты, которая не была преобразована в механическую работу. Это позволяет: 1) обеспечить цикличность работы двигателя, возвращая рабочее тело в исходное состояние; 2) создать необходимую для совершения работы разность давлений; 3) выполнить требования второго закона термодинамики, который запрещает полное превращение всей полученной теплоты в работу. Также температура холодильника напрямую влияет на максимально возможный КПД двигателя: чем она ниже, тем выше КПД.