Тепловые машины, КПД теплового двигателя, цикл Карно: ЕГЭ по физике

Тепловые машины преобразуют внутреннюю энергию топлива в механическую работу. КПД теплового двигателя — отношение полезной работы к затраченной энергии нагревателя. Цикл Карно — идеальный обратимый цикл с максимально возможным КПД для заданных температур нагревателя и холодильника.

Что нужно знать

• Тепловой двигатель — устройство, совершающее работу за счёт внутренней энергии рабочего тела (газа или пара).
• Основные элементы: нагреватель (передаёт количество теплоты Q1), рабочее тело (совершает работу A), холодильник (получает количество теплоты Q2).
• КПД теплового двигателя: η = A / Q1 = (Q1 − Q2) / Q1 = 1 − Q2/Q1.
• Работа за цикл равна разности полученной и отданной теплоты: A = Q1 − Q2 (для циклического процесса).
• Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат, является обратимым и имеет максимальный КПД среди всех циклов, работающих между теми же температурами нагревателя T1 и холодильника T2.
• КПД цикла Карно: η = (T1 − T2) / T1 = 1 − T2/T1, где T1 и T2 — абсолютные температуры (в кельвинах).

Термины и понятия

• Тепловой двигатель: устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую работу.
• Нагреватель: тело или устройство, передающее рабочему телу количество теплоты Q1.
• Холодильник: тело или устройство, которому рабочее тело отдаёт количество теплоты Q2.
• Рабочее тело: газ или пар, совершающий работу в тепловом двигателе.
• КПД теплового двигателя: отношение полезной работы A к количеству теплоты Q1, полученному от нагревателя: η = A/Q1.
• Цикл Карно: идеальный обратимый круговой процесс, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов.
• Обратимый процесс: процесс, который можно провести в обратном направлении так, чтобы система вернулась в исходное состояние без изменений в…
• Второе начало термодинамики: закон, утверждающий невозможность полного превращения теплоты в работу в периодически действующем двигателе.

Частые ошибки

• Использование температур в градусах Цельсия в формуле Карно вместо кельвинов.
• Путаница между количеством теплоты, полученным от нагревателя (Q1), и отданным холодильнику (Q2).
• Ошибочное применение формулы η = 1 − T2/T1 к произвольному циклу, а не только к циклу Карно.
• Неверное определение работы за цикл как площади под графиком в координатах p-V (нужно учитывать знак).

Как пройти тему

В курсе «Физика» тема «Тепловые машины, КПД теплового двигателя, цикл Карно» занимает 1 занятие по 40 минут: репетитор объясняет материал, задаёт вопросы как на экзамене, разбирает ваши ответы и в конце ставит оценку. Это обзор темы, полный разбор — в занятии. ИИ может ошибаться: проверяйте важное по учебнику. Занятия не заменяют живого репетитора и не гарантируют результат на экзамене.

Другие темы раздела

• Основные положения МКТ, масса и размеры молекул, количество вещества, постоянная Авогадро
• Идеальный газ: основное уравнение МКТ, температура и средняя кинетическая энергия молекул
• Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева — Клапейрона), изопроцессы и их графики
• Насыщенный и ненасыщенный пар, влажность воздуха, кипение
• Строение и свойства жидкостей и твёрдых тел, поверхностное натяжение, кристаллические и аморфные тела
• Внутренняя энергия, работа в термодинамике, количество теплоты, первый закон термодинамики

← Предыдущая тема: Внутренняя энергия, работа в термодинамике, количество теплоты, первый закон термодинамики
Следующая тема: Изменение агрегатных состояний вещества: плавление, парообразование, уравнение теплового баланса

Все темы: ЕГЭ по физике