Номер 2, страница 104 - гдз по физике 10 класс учебник Громыко, Зенькович

2. Что называют тепловым двигателем? Какие принципы положены в основу создания тепловых двигателей?

Что называют тепловым двигателем?

Тепловым двигателем называют устройство, которое преобразует внутреннюю энергию топлива (или любую другую тепловую энергию) в механическую работу. Работа тепловых двигателей основана на свойстве газов и паров расширяться при нагревании и совершать при этом работу.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей:

• Нагреватель: источник тепла с высокой температурой $T_1$, который передает рабочему телу количество теплоты $Q_1$. В двигателях внутреннего сгорания нагревателем служит сгорающее топливо.
• Рабочее тело: вещество (обычно газ или пар), которое расширяется при получении тепла от нагревателя и совершает механическую работу. Например, в паровой турбине это водяной пар, а в двигателе внутреннего сгорания — смесь паров бензина и воздуха, а затем продукты сгорания.
• Холодильник: тело с более низкой температурой $T_2$, которому рабочее тело отдает некоторое количество теплоты $Q_2$. Холодильник необходим для того, чтобы рабочее тело могло вернуться в исходное состояние и цикл мог повториться. В большинстве двигателей роль холодильника выполняет окружающая атмосфера.

Ответ: Тепловой двигатель — это машина, преобразующая тепловую энергию в механическую работу. Он состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

Какие принципы положены в основу создания тепловых двигателей?

В основу создания и работы тепловых двигателей положены фундаментальные законы термодинамики.

Основные принципы:

1. Цикличность работы. Для непрерывного совершения работы тепловой двигатель должен работать циклически. Это означает, что рабочее тело, совершив работу, должно периодически возвращаться в свое первоначальное состояние. Для этого необходимо отвести от него часть тепла, передав его холодильнику.
2. Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии). Согласно этому закону, работа $A$, совершаемая двигателем за один цикл, равна разности между количеством теплоты $Q_1$, полученным от нагревателя, и количеством теплоты $Q_2$, отданным холодильнику:
   $A = Q_1 - Q_2$
   Эта формула показывает, что не вся полученная от нагревателя теплота превращается в работу; часть её неизбежно теряется, передаваясь холодильнику.
3. Второй закон термодинамики. Этот закон накладывает фундаментальное ограничение на возможность превращения тепла в работу. Одна из его формулировок (постулат Кельвина) гласит: невозможно создать циклически действующую тепловую машину, единственным результатом работы которой было бы превращение в работу всей теплоты, полученной от единственного теплового резервуара (нагревателя). Это означает, что для работы теплового двигателя наличие холодильника ($T_2 < T_1$) является обязательным условием, и невозможно превратить в работу всю подведенную теплоту ($Q_2 > 0$).

Эти принципы определяют коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя, который показывает, какая доля полученной от нагревателя теплоты превращается в полезную работу:
$\eta = \frac{A}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}$
Максимально возможный КПД для идеального теплового двигателя (цикл Карно) зависит только от абсолютных температур нагревателя ($T_1$) и холодильника ($T_2$):
$\eta_{max} = \frac{T_1 - T_2}{T_1} = 1 - \frac{T_2}{T_1}$
Этот принцип показывает, что КПД всегда меньше 100% и указывает пути его повышения: увеличение температуры нагревателя или понижение температуры холодильника.

Ответ: В основу создания тепловых двигателей положены принципы, вытекающие из первого и второго законов термодинамики: 1) работа совершается за счет полученной теплоты, при этом часть теплоты обязательно отдается холодильнику; 2) для непрерывной работы двигатель должен действовать циклически; 3) невозможно преобразовать в работу всю полученную теплоту.