"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под редакцией Орлова В.А.
Тепловой двигатель превращает часть энергии, полученной в виде теплоты, в механическую работу. Для этого ему нужны нагреватель, рабочее тело и холодильник. Рабочее тело получает теплоту от более горячего тела, расширяется и приводит в движение механизм, а затем передаёт часть энергии холодильнику. Двигатель работает циклически, поэтому его состояние после каждого цикла восстанавливается. Главная формула энергетического баланса: A = Q₁ − Q₂.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Тепловой двигатель — устройство, которое за счёт передачи теплоты от нагревателя к холодильнику совершает механическую работу. Он нужен для превращения части внутренней энергии топлива или другого источника в движение механизмов. Примеры таких устройств — паровая турбина и двигатель автомобиля.
Рабочее тело — вещество в двигателе, которое получает теплоту, расширяется и совершает работу. Обычно рабочим телом служат газ или пар. Именно его изменение объёма и давления приводит в движение поршень, турбину или другой механизм.
Нагреватель — тело с более высокой температурой, от которого рабочее тело получает количество теплоты Q₁. Им может быть, например, горящее топливо или горячий пар. Нагреватель является источником передаваемой энергии, но сам механическую работу двигателя не совершает.
Холодильник — тело с более низкой температурой, которому рабочее тело передаёт количество теплоты Q₂. Он отводит часть энергии после совершения работы. Благодаря холодильнику рабочее тело может завершить цикл и подготовиться к следующему.
Для работы двигателя нужны тела с разными температурами, потому что теплота самопроизвольно передаётся от более горячего тела к более холодному. Если температуры одинаковы, направленного теплообмена не будет и получить полезную работу за счёт этого процесса невозможно. Двигатель использует часть энергии такого перехода, превращая её в движение.
Основные части соединены последовательной передачей энергии. Нагреватель отдаёт теплоту рабочему телу, рабочее тело расширяется и действует на механизм, а затем холодильник принимает оставшуюся часть теплоты. Поэтому работа двигателя возникает не от нагревателя напрямую, а благодаря изменению состояния рабочего тела.
Рабочее тело должно возвращаться к исходному состоянию, потому что двигатель работает циклически. За время цикла газ или пар может расшириться, совершить работу, а затем сжаться и восстановить прежние давление, объём и температуру. После этого он снова готов получать теплоту и повторять процесс.
За один цикл рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Q₁, часть этой энергии превращает в работу A, а количество теплоты Q₂ передаёт холодильнику. Закон сохранения энергии требует учесть все части энергетического баланса. Поэтому A = Q₁ − Q₂, то есть работа равна не всей полученной теплоте, а её разности с отведённой энергией.
Превратить всю полученную теплоту в работу нельзя, поскольку рабочее тело должно передать часть энергии холодильнику. Если бы Q₂ было равно нулю, не происходило бы полноценного завершения цикла с возвращением тела в исходное состояние. Наличие холодильника связано не с потерями конструкции, а с самим принципом циклической работы теплового двигателя.
| Элемент или величина | Что делает или обозначает | Направление передачи энергии |
|---|---|---|
| Нагреватель | Передаёт рабочему телу теплоту и поддерживает более высокую температуру | Нагреватель → рабочее тело |
| Рабочее тело | Получает теплоту, расширяется и совершает механическую работу | Получает энергию; часть передаёт механизму и холодильнику |
| Холодильник | Принимает часть теплоты от рабочего тела | Рабочее тело → холодильник |
| Количество теплоты Q₁ | Энергия, полученная рабочим телом от нагревателя за цикл | Нагреватель → рабочее тело |
| Количество теплоты Q₂ | Энергия, переданная рабочим телом холодильнику за цикл | Рабочее тело → холодильник |
| Работа A за цикл | Механическая энергия, которую двигатель отдаёт внешнему механизму | Рабочее тело → механизм |
Сначала определите, какой элемент получает энергию, а какой её отдаёт. Стрелки в последнем столбце помогают не перепутать Q₁ и Q₂: первая теплота поступает к рабочему телу, вторая уходит от него. Для вычислений используйте энергетический баланс A = Q₁ − Q₂.
За цикл рабочее тело получило от нагревателя 900 Дж теплоты и передало холодильнику 600 Дж. Требуется найти работу двигателя за цикл.
Ответ: работа двигателя равна 300 Дж. Именно эта часть полученной теплоты не была передана холодильнику.
Двигатель за цикл совершил работу 240 Дж, получив от нагревателя 800 Дж теплоты. Нужно определить, сколько теплоты передано холодильнику.
Ответ: холодильнику передано 560 Дж теплоты. Проверка показывает, что 560 Дж + 240 Дж = 800 Дж, то есть энергия распределена правильно.
Нужно объяснить, почему устройство, которое за цикл получает теплоту только от одного тела и полностью превращает её в работу, не является тепловым двигателем.
Ответ: такое устройство не соответствует определению теплового двигателя. Оно не осуществляет передачу теплоты от нагревателя к холодильнику и не может поддерживать обычный тепловой цикл.
Ошибка: считать, что рабочее тело превращает в работу всю полученную теплоту. Так думают, потому что именно рабочее тело приводит механизм в движение. Проверьте себя по формуле: из Q₁ обязательно нужно вычесть Q₂.
Ошибка: путать нагреватель с источником механической работы. Нагреватель только передаёт теплоту, а работу совершает расширяющееся рабочее тело. Задайте вопрос: какой объект изменяет объём и действует на механизм?
Ошибка: считать, что холодильник обязательно охлаждает рабочее тело отдельным механизмом. Его основная роль состоит в приёме части теплоты от рабочего тела. Если в условии указано Q₂, это энергия, ушедшая к холодильнику.
Ошибка: записывать для цикла A = Q₁ + Q₂. Такое сложение неверно, потому что Q₂ — переданная наружу теплота, а не дополнительная полученная энергия. При проверке следите за направлением передачи: A = Q₁ − Q₂.
Для понимания темы нужны понятия количества теплоты, внутренней энергии и работы газа. Также необходимо знать закон сохранения энергии, который объясняет формулу A = Q₁ − Q₂. Эти знания помогают проследить, куда направляется энергия в течение цикла.
Тема является основой для изучения коэффициента полезного действия теплового двигателя и второго начала термодинамики. Она также помогает понять принцип действия двигателей внутреннего сгорания, где нагревателем служат продукты сгорания топлива.
Зачем тепловому двигателю нужен холодильник?
Холодильник принимает часть теплоты, полученной рабочим телом от нагревателя. Без отвода этой энергии рабочее тело не смогло бы возвращаться к исходному состоянию и повторять цикл.
Что именно называют рабочим телом?
Рабочее тело — это вещество, которое получает теплоту, изменяет объём и совершает механическую работу. Обычно им служат газ или пар.
Почему рабочее тело должно работать циклами?
После расширения рабочее тело меняет свои параметры: объём, давление и температуру. Чтобы двигатель мог работать снова, его нужно вернуть в исходное состояние; поэтому процесс повторяется циклически.
Как найти работу двигателя за один цикл?
Из количества теплоты Q₁, полученного от нагревателя, вычитают количество теплоты Q₂, переданное холодильнику. Формула: A = Q₁ − Q₂.
Может ли тепловой двигатель полностью превратить теплоту в работу?
Нет, часть теплоты неизбежно передаётся холодильнику. Поэтому Q₂ не равно нулю, а работа двигателя меньше полученной теплоты.
1. Принцип действия и основные элементы теплового двигателя
