6.3 — Тепловые двигатели

Тепловой двигатель циклически получает энергию от нагревателя, часть превращает в механическую работу, а остаток передаёт холодильнику. Полное превращение теплоты в работу невозможно.

ФГОС · 8 классФОП · базовый уровеньинтерактивная модель

нагревательрабочее телохолодильникКПДдвигатель

Физическая картина

Что происходит и какие границы имеет модель.

Главная идея

Рабочее тело проходит замкнутый цикл и возвращается в исходное состояние.
КПД всегда меньше единицы из-за обязательной отдачи теплоты холодильнику и потерь.
Повышение температуры нагревателя и снижение температуры холодильника увеличивают предельный КПД.

Как рассуждатьСначала назовите систему и взаимодействия, затем выберите величины и только после этого записывайте закон. Формула работает в пределах допущений модели.

Законы и величины

Символы следует читать как связь величин, а не как рецепт подстановки.

A=Q_1-Q_2

работа за цикл

\eta=\frac{A}{Q_1}\cdot100\%

КПД двигателя

Разбор ситуации

Если двигатель получил 1000 Дж и отдал холодильнику 650 Дж, его работа равна 350 Дж, а КПД — 35%.

Связи и применение

В реальном мире

Если двигатель получил 1000 Дж и отдал холодильнику 650 Дж, его работа равна 350 Дж, а КПД — 35%.

Проверка модели

Сравнивайте предсказание с наблюдением, оценивайте единицы, порядок величины и влияние неучтённых факторов. Расхождение не всегда означает ошибку закона: часто идеализация перестаёт быть достаточной.

Что нужно понимать

Результат 1Объяснять физический смысл темы «Тепловые двигатели» через модель, а не только через формулу.

Результат 2Различать и корректно использовать термины: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Результат 3Указывать условия применимости закона, проверять единицы и предельные случаи.

Термины темы

Определение должно указывать физический смысл, а не заменяться бытовым синонимом.

нагреватель: Тело с более высокой температурой, передающее рабочему телу теплоту в цикле тепловой машины.
рабочее тело: Система, циклически получающая теплоту, совершающая работу и отдающая часть теплоты в тепловой машине.
холодильник: В тепловой машине тело с более низкой температурой, которому рабочее тело отдаёт часть теплоты.
КПД: Отношение полезной энергии или работы к затраченной; безразмерная величина, обычно выражаемая в процентах.
двигатель: Устройство, преобразующее энергию источника в механическую работу.

Происхождение и вывод формул

Фундаментальный закон нельзя «доказать» алгеброй: для каждой записи указано, является ли она определением, экспериментальным законом или следствием модели.

A=Q_1-Q_2

следствие модели

Работа за цикл. Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.

\Delta U_{\text{цикл}}=0

После полного цикла рабочее тело возвращается в исходное состояние, поэтому его внутренняя энергия не изменяется.

Q_1=A+Q_2

Полученная от нагревателя теплота расходуется на работу и передачу остатка холодильнику.

A=Q_1-Q_2

Работа двигателя равна разности полученной и отданной теплоты.

Условия: Полный цикл тепловой машины; Q₁ и Q₂ обозначают положительные модули теплоты от нагревателя и к холодильнику. Контроль: Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.

\eta=\frac{A}{Q_1}\cdot100\%

определение

Кпд двигателя. Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.

\eta=\frac{\text{полезная энергия}}{\text{затраченная энергия}}

КПД вводят как долю затраченной энергии, превращённую в полезный результат.

E_{\text{пол}}=A,\qquad E_{\text{затр}}=Q_1

Для теплового двигателя полезный результат — работа, а затрата — теплота от нагревателя.

\eta=\frac{A}{Q_1}\cdot100\%

Умножение отношения на 100 % переводит долю в проценты.

Условия: Рассматривается один цикл или стационарная работа двигателя; A и Q₁ измерены за один и тот же интервал, Q₁ > 0. Контроль: Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.

Границы модели и типичные ошибки

Ошибка: забыть условие моделиНельзя переносить формулу на любую ситуацию только из-за совпадения букв. Ключевое условие этой темы: Рабочее тело проходит замкнутый цикл и возвращается в исходное состояние.

Как проверить рассуждениеКПД всегда меньше единицы из-за обязательной отдачи теплоты холодильнику и потерь. Затем проверьте единицы, направление векторов и поведение результата при нулевом или очень большом параметре.

Вывод по теме

Тепловые двигатели

Рабочее тело проходит замкнутый цикл и возвращается в исходное состояние.
КПД всегда меньше единицы из-за обязательной отдачи теплоты холодильнику и потерь.
Любой численный результат сопровождается единицей, знаком и объяснением его физического смысла.

Содержание сверено с ФРП по физике ООО/СОО 2025 года и тематикой действующих линий ФПУ: И. М. Пёрышкин и соавторы (7–9), Г. Я. Мякишев и соавторы (10–11); углубления — с линиями «Инженеры будущего» и В. А. Касьянова. Формулировки оригинальные, тексты учебников не воспроизводятся.