Номер 2, страница 97 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

2. Каков принцип действия теплового двигателя?

2. Каков принцип действия теплового двигателя?

Принцип действия любого теплового двигателя основан на преобразовании внутренней энергии топлива в механическую работу. Этот процесс является циклическим, и для его осуществления в общем виде необходимы три основных элемента:

1. Нагреватель — источник тепла с высокой температурой $T_1$, который передает рабочему телу количество теплоты $Q_1$. В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) роль нагревателя выполняет сгорающее топливо, а в паровых турбинах — парогенератор.

2. Рабочее тело — вещество (чаще всего газ или пар), которое, расширяясь, совершает работу. Например, в паровой турбине это водяной пар, а в ДВС — продукты сгорания топлива (газовая смесь).

3. Холодильник — объект с более низкой температурой $T_2$, которому рабочее тело отдает некоторое количество теплоты $Q_2$, которое не было преобразовано в работу. В роли холодильника обычно выступает окружающая среда (атмосфера, вода в реке или море). Наличие холодильника является обязательным условием для работы любого теплового двигателя.

Процесс работы теплового двигателя состоит из повторяющихся циклов, каждый из которых включает следующие основные этапы:

- Получение энергии от нагревателя. Рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты $Q_1$. Вследствие этого его внутренняя энергия увеличивается, что приводит к росту температуры и давления.

- Расширение рабочего тела (рабочий ход). Под действием высокого давления нагретое рабочее тело расширяется и толкает поршень или вращает лопатки турбины. На этом этапе внутренняя энергия рабочего тела преобразуется в полезную механическую работу $A$.

- Передача тепла холодильнику. Чтобы цикл мог повториться, рабочее тело необходимо вернуть в исходное состояние, то есть сжать. Для того чтобы работа, затрачиваемая на сжатие, была меньше работы, полученной при расширении, рабочее тело необходимо охладить. Для этого оно отдает холодильнику количество теплоты $Q_2$.

- Сжатие рабочего тела. Охлажденное рабочее тело сжимается до первоначального объема и давления, после чего цикл готов к повторению.

Согласно первому закону термодинамики, работа $A$, совершаемая двигателем за один цикл, равна разности между количеством теплоты, полученным от нагревателя ($Q_1$), и количеством теплоты, отданным холодильнику ($Q_2$):

$A = Q_1 - Q_2$

Важнейшей характеристикой теплового двигателя является его коэффициент полезного действия (КПД), который показывает, какая доля полученной от нагревателя энергии преобразуется в полезную работу. КПД ($\eta$) вычисляется по формуле:

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

Из второго закона термодинамики следует, что невозможно создать тепловой двигатель, у которого вся полученная от нагревателя теплота превращалась бы в работу ($Q_2 > 0$). Часть тепла обязательно должна быть передана холодильнику. Поэтому КПД любого реального теплового двигателя всегда меньше 1 (или 100%).

Ответ: Принцип действия теплового двигателя заключается в циклическом процессе преобразования тепловой энергии в механическую работу. Рабочее тело (газ или пар) в ходе цикла получает тепло от нагревателя, расширяется и совершает работу, а затем отдает неиспользованную часть тепла холодильнику и сжимается, возвращаясь в исходное состояние для повторения цикла. Совершенная за цикл полезная работа равна разности между полученным от нагревателя и отданным холодильнику количеством теплоты.