Номер 4, страница 104 - гдз по физике 10 класс учебник Громыко, Зенькович

4. Может ли эффективный КПД теплового двигателя стать равным единице, если трение в частях двигателя свести к нулю?

Нет, эффективный КПД теплового двигателя не может стать равным единице, даже если полностью устранить трение и другие механические потери. Это утверждение следует из фундаментальных законов термодинамики.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя по определению есть отношение полезной работы $A$, совершённой двигателем, к количеству теплоты $Q_1$, полученному от нагревателя:

$ \eta = \frac{A}{Q_1} $

Согласно первому началу термодинамики, работа, совершаемая двигателем в циклическом процессе, равна разности между количеством теплоты, полученным от нагревателя ($Q_1$), и количеством теплоты, отданным холодильнику ($Q_2$):

$ A = Q_1 - Q_2 $

Подставив это выражение в формулу для КПД, получим:

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

Для того чтобы КПД был равен единице ($ \eta = 1 $), необходимо, чтобы дробь $ \frac{Q_2}{Q_1} $ была равна нулю. Это возможно только если $Q_2 = 0$, то есть если двигатель не отдает теплоту холодильнику. В таком случае вся полученная от нагревателя теплота полностью преобразуется в работу.

Однако второе начало термодинамики (в формулировке Кельвина-Планка) гласит, что невозможно создать периодически действующую машину, которая совершала бы работу только за счет охлаждения одного источника тепла. Другими словами, для работы любого теплового двигателя принципиально необходимо наличие не только нагревателя, но и холодильника, которому будет передана часть теплоты ($Q_2 > 0$). Следовательно, КПД любого теплового двигателя всегда меньше единицы.

Максимально возможный КПД для теплового двигателя, работающего между температурами нагревателя $T_1$ и холодильника $T_2$ (в кельвинах), — это КПД идеального цикла Карно:

$ \eta_{max} = 1 - \frac{T_2}{T_1} $

Даже этот теоретический предел может быть равен единице только при условии, что температура холодильника $T_2$ равна абсолютному нулю ($0$ К), что недостижимо согласно третьему началу термодинамики.

Устранение трения в частях двигателя повышает его реальный (эффективный) КПД, приближая его к теоретическому максимуму, но не может преодолеть фундаментальное ограничение, накладываемое вторым началом термодинамики.

Ответ: Нет, КПД теплового двигателя не может стать равным единице даже при полном отсутствии трения. Это запрещено вторым началом термодинамики, согласно которому для работы теплового двигателя необходимо отдавать часть полученной теплоты холодильнику, поэтому полная конвертация теплоты в работу невозможна.