Что нужно знать
Тепловой двигатель — это устройство, которое преобразует внутреннюю энергию топлива или другого источника теплоты в механическую работу. Основными частями теплового двигателя являются нагреватель, рабочее тело и холодильник. Рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Q₁, совершает механическую работу A и передаёт холодильнику количество теплоты Q₂. Согласно закону сохранения энергии, работа двигателя равна разности полученной и отданной теплоты: A = Q₁ − Q₂. Количество теплоты и работа измеряются в джоулях (Дж). Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя показывает, какая часть полученной теплоты превращается в полезную работу, и рассчитывается по формуле η = (A / Q₁) · 100%. КПД всегда меньше 100%, поскольку часть полученной теплоты передаётся холодильнику и не превращается в полезную работу. Например, двигатель автомобиля преобразует часть энергии сгорающего топлива в механическую работу, а остальная энергия уходит на нагрев деталей и окружающего воздуха. Типичная ошибка учеников — считать, что КПД равен отношению количества теплоты, отданного холодильнику, к количеству теплоты, полученному от нагревателя, хотя правильная формула использует полезную работу.
Тест: 12 вопросов
Выберите ответ в каждом вопросе и нажмите «Проверить ответы» — появятся правильные ответы и пояснения.
1. Что называют тепловым двигателем?
- Устройство, предназначенное исключительно для охлаждения тел
- Устройство, преобразующее механическую энергию только во внутреннюю
- Устройство, преобразующее внутреннюю энергию в механическую работу
- Устройство, полностью превращающее теплоту в электрическую энергию
Тепловой двигатель использует внутреннюю энергию рабочего тела для совершения механической работы.
2. Какие основные части имеет тепловой двигатель?
- Рабочее тело, генератор и конденсатор
- Нагреватель, аккумулятор и электродвигатель
- Холодильник, компрессор и аккумулятор
- Нагреватель, рабочее тело и холодильник
Нагреватель передаёт теплоту рабочему телу, рабочее тело совершает работу, а холодильнику передаётся часть полученной теплоты.
3. В каких единицах СИ измеряется количество теплоты, полученное рабочим телом?
- В джоулях (Дж)
- В ваттах (Вт)
- В кельвинах (К)
- В паскалях (Па)
Количество теплоты является видом энергии и в системе СИ измеряется в джоулях.
4. Какую роль выполняет холодильник в тепловом двигателе?
- Передаёт рабочему телу всю полученную механическую работу
- Принимает часть теплоты, которую рабочее тело не превратило в работу
- Обеспечивает полное превращение теплоты в механическую работу
- Повышает температуру нагревателя за счёт механической работы
Холодильник принимает количество теплоты Q₂, которое не было преобразовано в полезную механическую работу.
5. Какое выражение соответствует закону сохранения энергии для теплового двигателя?
- A = Q₁ + Q₂
- A = Q₁ · Q₂
- A = Q₁ − Q₂
- A = Q₂ − Q₁
Работа двигателя равна разности количества теплоты, полученного от нагревателя Q₁, и количества теплоты, отданного холодильнику Q₂.
6. Почему КПД реального теплового двигателя всегда меньше 100%?
- Потому что вся полученная теплота превращается в работу
- Потому что двигатель не получает теплоту от нагревателя
- Потому что механическая работа всегда больше полученной теплоты
- Потому что часть полученной теплоты передаётся холодильнику
Не вся энергия, полученная от нагревателя, превращается в полезную работу: часть теплоты передаётся холодильнику.
7. Какой пример является примером работы теплового двигателя?
- Движение автомобиля благодаря сгоранию топлива в двигателе
- Свечение лампы накаливания при прохождении тока
- Нагрев воды в электрическом чайнике
- Охлаждение продуктов в холодильнике
Двигатель внутреннего сгорания преобразует часть внутренней энергии топлива в механическую работу, приводящую автомобиль в движение.
8. Какова полезная работа двигателя, если он получил от нагревателя 800 Дж теплоты и передал холодильнику 300 Дж?
- 1100 Дж
- 500 Дж
- 300 Дж
- 800 Дж
Используем формулу A = Q₁ − Q₂. A = 800 − 300 = 500 Дж.
9. Каков КПД двигателя, если он получил от нагревателя 1000 Дж теплоты и совершил работу 250 Дж?
КПД рассчитывается по формуле η = (A / Q₁) · 100%. η = (250 / 1000) · 100% = 25%.
10. Какое количество теплоты передаётся холодильнику, если двигатель получил 1200 Дж теплоты и совершил работу 900 Дж?
- 1200 Дж
- 2100 Дж
- 900 Дж
- 300 Дж
Из формулы A = Q₁ − Q₂ получаем Q₂ = Q₁ − A. Q₂ = 1200 − 900 = 300 Дж.
11. Какую работу совершит двигатель с КПД 40%, если он получил от нагревателя 2000 Дж теплоты?
- 800 Дж
- 500 Дж
- 1200 Дж
- 1600 Дж
Используем формулу A = η · Q₁ / 100%. A = 40 · 2000 / 100 = 800 Дж.
12. Двигатель получил от нагревателя 1500 Дж теплоты и передал холодильнику 900 Дж. Каков его КПД?
Сначала найдём работу: A = Q₁ − Q₂ = 1500 − 900 = 600 Дж. Затем η = (600 / 1500) · 100% = 40%.