ГДЗ по физике, 8 класс, Перышкин, номер 26.3: КПД теплового двигателя

План решения:

Для объяснения того, почему КПД теплового двигателя не может достигать 100%, необходимо обратиться к второму началу термодинамики и устройству самого двигателя. Мы рассмотрим энергетический баланс: сколько теплоты поступает от нагревателя и какая часть этой энергии превращается в полезную работу.

Вычисление и логика:

Тепловой двигатель работает по циклу, получая количество теплоты Q₁ от нагревателя с температурой T₁. Часть этой энергии совершает полезную работу A, а оставшаяся часть обязательно передается холодильнику с более низкой температурой T₂ в виде количества теплоты Q₂.

Согласно закону сохранения энергии (первому началу термодинамики), работа равна разности полученной и отданной теплоты: A=Q₁-Q₂

Коэффициент полезного действия (КПД) определяется как отношение полезной работы к затраченной теплоте: КПД =A/Q₁=Q₁-Q₂/Q₁=1-Q₂/Q₁

Второе начало термодинамики утверждает, что невозможно создать двигатель, который полностью превращал бы всю полученную теплоту в работу без передачи части её холодному телу. Это означает, что Q₂ всегда больше нуля (Q₂>0). Следовательно, дробь Q₂/Q₁ также положительна, и значение выражения 1-Q₂/Q₁ всегда будет меньше единицы.

Проверка:

Если бы КПД =100% (или 1), то это означало бы, что Q₂=0. Такой двигатель назывался бы двигателем второго рода, но его создание запрещено фундаментальными законами физики. Даже идеальный цикл Карно имеет максимальный теоретический предел КПД_max =1-T₂/T₁, который меньше 1, так как температура холодильника T₂ не может быть равна абсолютному нулю при реальной работе, а температура нагревателя конечна. Таким образом, вывод верен: КПД всегда меньше 100%.