Тепловые двигатели

Содержание и основные понятия

Тепловой двигатель циклически получает энергию от нагревателя, часть превращает в механическую работу, а остаток передаёт холодильнику. Полное превращение теплоты в работу невозможно.
ФГОС · 8 класс
ФОП · базовый уровень
интерактивная модель
нагреватель
рабочее тело
холодильник
КПД
двигатель
01
Физическая картина
Что происходит и какие границы имеет модель.
Главная идея
Тепловой двигатель циклически получает энергию от нагревателя, часть превращает в механическую работу, а остаток передаёт холодильнику. Полное превращение теплоты в работу невозможно.
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 рассуждать
Сначала назовите систему и взаимодействия, затем выберите величины и только после этого записывайте закон. Формула работает в пределах допущений модели.
02
Законы и величины
Символы следует читать как связь величин, а не как рецепт подстановки.
A
=
Q
1
−
Q
2
A=Q_1-Q_2
A
=
Q
1
​
−
Q
2
​
работа за цикл
η
=
A
Q
1
⋅
100
%
\eta=\frac{A}{Q_1}\cdot100\%
η
=
Q
1
​
A
​
⋅
100%
КПД двигателя
Разбор ситуации
Если двигатель получил 1000 Дж и отдал холодильнику 650 Дж, его работа равна 350 Дж, а КПД — 35%.
04
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.
Ц
Что нужно понимать
Результат 1
Объяснять физический смысл темы «Тепловые двигатели» через модель, а не только через формулу.
Результат 2
Различать и корректно использовать термины: нагреватель, рабочее тело, холодильник.
Результат 3
Указывать условия применимости закона, проверять единицы и предельные случаи.
Т
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.
Ф
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
A=Q_1-Q_2
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.
Δ
U
цикл
=
0
\Delta U_{\text{цикл}}=0
Δ
U
цикл
​
=
0
После полного цикла рабочее тело возвращается в исходное состояние, поэтому его внутренняя энергия не изменяется.
Q
1
=
A
+
Q
2
Q_1=A+Q_2
Q
1
​
=
A
+
Q
2
​
Полученная от нагревателя теплота расходуется на работу и передачу остатка холодильнику.
A
=
Q
1
−
Q
2
A=Q_1-Q_2
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.
η
=
A
Q
1
⋅
100
%
\eta=\frac{A}{Q_1}\cdot100\%
η
=
Q
1
​
A
​
⋅
100%
определение
Кпд двигателя.
Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.
η
=
полезная энергия
затраченная энергия
\eta=\frac{\text{полезная энергия}}{\text{затраченная энергия}}
η
=
затраченная
энергия
полезная
энергия
​
КПД вводят как долю затраченной энергии, превращённую в полезный результат.
E
пол
=
A
,
E
затр
=
Q
1
E_{\text{пол}}=A,\qquad E_{\text{затр}}=Q_1
E
пол
​
=
A
,
E
затр
​
=
Q
1
​
Для теплового двигателя полезный результат — работа, а затрата — теплота от нагревателя.
η
=
A
Q
1
⋅
100
%
\eta=\frac{A}{Q_1}\cdot100\%
η
=
Q
1
​
A
​
⋅
100%
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 модели
Нельзя 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 рассуждение
КПД 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.
Σ
Вывод по теме
Тепловые двигатели
Тепловой двигатель циклически получает энергию от нагревателя, часть превращает в механическую работу, а остаток передаёт холодильнику. Полное превращение теплоты в работу невозможно.
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.