Термодинамика

Тепловые машины. КПД. Второй закон

Мякишев «Физика 10», термодинамика

◆

база 7–9 класса

КПД — доля полезной работы от затраченной, он всегда меньше 100 %.

Короткое напоминание2

Удельная теплота сгорания: $Q = qm$ , где $m$ — масса топлива.

Здесь к этому добавится принципиальный предел КПД, связанный с температурами нагревателя и холодильника.

Нагреватель отдаёт теплоту, часть её превращается в работу, остаток обязательно уходит холодильнику.

A = Q_{\text{н}} - Q_{\text{х}}, \qquad \eta = \dfrac{A}{Q_{\text{н}}} = \dfrac{Q_{\text{н}} - Q_{\text{х}}}{Q_{\text{н}}}

в знаменателе КПД всегда теплота нагревателя

Почему холодильник обязателен2

Без него машина превращала бы теплоту в работу целиком — это запрещено вторым законом термодинамики.

Отданная холодильнику теплота — не «потери от несовершенства конструкции», а принципиальная необходимость.

⚗

Опыт в Физлабе

КПД нагревателя

Полезная теплота против затраченной — счёт по шагам.

Максимально возможный КПД задаётся только температурами нагревателя и холодильника.

\eta_{\max} = \dfrac{T_{\text{н}} - T_{\text{х}}}{T_{\text{н}}}

температуры строго в кельвинах

Как этим пользоваться3

Формула Карно даёт верхний предел, а не реальный КПД. Реальный всегда меньше.

Если в задаче реальный КПД получился больше карновского — где-то ошибка.

Поднять КПД можно двумя путями: греть нагреватель сильнее или охлаждать холодильник.

Только кельвины. Подстановка цельсиев в формулу Карно даёт бессмыслицу, вплоть до отрицательного КПД.

Тепло само не переходит от холодного тела к горячему. И невозможна машина, целиком превращающая теплоту в работу.

Холодильник как машина наоборот3

Перекачать тепло от холодного к горячему можно — но только совершив работу. Именно это делают холодильник и кондиционер.

Поэтому холодильник греет кухню: он выбрасывает наружу и отобранное тепло, и энергию, потраченную компрессором.

Вечный двигатель второго рода — машина без холодильника — невозможен.

Разобранные примеры

Тепловая машина получает от нагревателя

1000

Дж и отдаёт холодильнику

700

Дж. Найдите КПД.разбор

Ответ:

30\%

Температура нагревателя

600

К, холодильника

300

К. Каков максимально возможный КПД?разбор

Ответ:

50\%