Частина 3. Основи термодинаміки

ІІ. Механічний спосіб зміни U

1. ТД робота – процес зміни U без теплообміну, що характеризує механічний вплив на ТДС (нагрівання при терті, розширення при охолодженні). З точки зору МКТ робота в ТД означає перетворення енергії впорядкованого руху макросистеми (н.п., поршня) в енергію теплового руху молекул іншої ТДС (н.п., газу), або оберненого перетворення енергії.

Оскільки внаслідок МКТ будови рідина і тверде тіло практично зберігають U, то ТД робота рідини чи твердого тіла фізичного змісту не має, і тому доцільно говорити про ТД роботу газу, значна зміна об’єму якого веде до збільшення його U.

2. Обчислення ТД роботи газу.

Розрахуємо роботу А, яку виконує ідеальний газ внаслідок його ізобарного нагрівання. Вважатимемо, що газ знаходиться під невагомим поршнем площею S, який рухається уздовж циліндра без тертя. Оскільки поршень не закріплений, то тиск газу p є сталим і наближено дорівнює атмосферному. Під час нагрівання на ΔТ відбувається ізобарне розширення газу і його об'єм збільшується на ΔV = SΔl, де Δl – відстань, на яку перемістився поршень. Оскільки з механіки відомо, що , де F – сила, що діє на тіло, яке здійснює переміщення s, то враховуючи, що  знаходимо,:

 

                                                                                        (7)

 

Якщо газ розширюється: V₂ > V₁ → ΔV  А_{розшир.} > 0; тобто роботу розширення виконує газ  

Якщо газ стискається: V ₂ < V₁ → ΔV  А_стисн.< 0, тобто газ виконує від’ємну роботу, або: роботу стиснення А´ виконують зовнішні сили над газом (А´ = А_стисн.).

Враховуючи рівняння Менделєєва, отримаємо для роботи ще одну формулу

                                                                                                                 (8)

де  – універсальна газова стала.

При ізохорному процесі зміни об’єму газу немає, отже ТД робота не виконується:

V ₂ = V₁  ΔV = 0  А > 0

3. Геометричне тлумачення (інтерпретація) ТД роботи.

Геометрично робота дорівнює площі фігури, яка утворюється під графіком даного ТДП у координатах р V.

                

 

 

                                                                                                                     

 

 

Оскільки кількість теплоти і робота залежать від зміни ТДП_р: Q = f (ΔТ) і А = f(ΔV), то вони є функціями ТДП, тобто залежать від виду процесу, при якому відбувається дана зміна внутрішньої енергії U.

Для замкненого ТДП отримаємо, що ТД робота, яка виконується в ході такого процесу дорівнює площі, обмеженій графіком ТДП.

 

 

                             р                                                       р   

 

 

                                           S = A                                                S = – A 

 

 

                              0                     V                          0                      V

 

                                      A > 0                                                  A < 0  

                       Роботу виконує ТДС (газ)       Роботу виконують зовнішні тіла

                       над зовнішніми тілами                 (сили) над ТДС (газом)

 

 

Ізотермічний процес

                                                                       (10)

Вся кількість теплоти, отримана газом при ізотермічному процесі, іде на виконання ним роботи розширення газу.

 теплоємність речовини при цьому процесі не має фізичного змісту, оскільки не має нагрівання.

Ізохорний процес

                                                                        (11)

Вся кількість теплоти, отримана газом при ізохорному процесі, іде на його нагрівання.

Теплоємність при ізохорному процесі (для 1-атомного газу)

;

; * .                                                                                 (12)                       

Ізобарний процес

                                                                                        (13)

Вся кількість теплоти, отримана газом при ізобарному процесі, іде на його нагрівання і на виконання ним роботи розширення газу.

Теплоємність при ізобарному процесі (для 1-атомного газу)

;

; .                                                                                         (14)

Як видно, теплоємності при сталому тиску і сталому об’ємі відрізняються:

Рівняння Майєра встановлює зв’язок між теплоємностями при сталому тиску і сталому об’ємі.

                                                                                                                           (15)

Така різниця пояснюється тим, що Q, отримана газом при V = const, іде тільки на нагрівання, а при p = const, – ще і на виконання А.

4. Адіабатний процес – ТДП, який відбувається без теплообміну із зовнішнім середовищем (або ТДС – ізольована, або ТДП – дуже швидкий).

Приклад: стиск повітря у дизельному двигуні, розширення пари шампанського при вильоті корка, розширення нагрітого повітря при підніманні у верхні шари атмосфери.     

Умова:                                                                (16)                                                                                        

Рівняння процесу                                                                                                                      

> 1 – показник адіабати.

Адіабата – графік адіабатного процесу.

Адіабата крутіша за ізотерму, тому що при Q = 0 на ΔV впливає

 і ΔТ і Δр, а при Т = const – лише Δр.

З умови процесу випливає І ЗТД:

                                                           (17)

Внутрішня енергія газу збільшується за рахунок роботи зовнішніх сил.

Або: робота виконується газом лише за рахунок його внутрішньої енергії.

Зведена таблиця застосування І ЗТД до ізопроцесів

ТДП	Отримана газом Q	Здійснена газом А	Зміна U	І ЗТД	Формулювання І ЗТД
Ізотермічний T = const	Q > 0	А > 0	ΔU = 0	Q = А	Передана газом кількість теплоти витрачається на виконання ним роботи
Ізохорний V = const	Q > 0	А = 0	ΔU > 0	Q = ΔU	Передана газом кількість теплоти йде на збільшення його внутрішньої енергії
Ізобарний p = const	Q > 0	А > 0	ΔU > 0	Q =ΔU + А	Передана газом кількість теплоти йде на збільшення його внутрішньої енергії і виконання ним роботи
Адіабатний Q = const	Q = 0	1) А > 0 2) А < 0	1) ΔU < 0 2) ΔU > 0	1) ΔU = –А = А´ 2) А = – ΔU	1) Внутрішня енергія газу збільшується за рахунок роботи зовнішніх сил 2) Під час розширення газ виконує роботу за рахунок зменшення його внутрішньої енергії.

3. ІІ закон термодинаміки (ІІ ЗТД) – вказує напрям протікання необоротних процесів у природі.

З І закону термодинаміки випливає неможливість побудови "вічного" двигуна першого роду, бо будь-яка система не може нескінченно довго виконувати роботу без передачі їй теплоти. Дійсно, коли Q = 0, то робота має виконуватись за рахунок внутрішньої енергії системи, яка є обмеженою.

Закон збереження і перетворення енергії стверджує, що кількість енергії за будь-яких її перетворень незмінна, але нічого в ньому не вказує на те, які енергетичні перетворення можливі. Однак багато процесів, цілком допустимих з точки зору закону збереження енергії, ніколи не відбуваються в дійсності. Такі процеси називають необоротними.

Наприклад, нагріте тіло, поступово охолоджуючись, передає свою енергію більш холодним тілам, які його оточують. Зворотний процес передачі теплоти від холодного тіла до гарячого самовільно відбуватися не може. Всі тіла вільно падають на землю, але самовільно з землі вони не можуть піднятися вгору. При гальмуванні автомобіля чи затухаючих коливаннях маятника механічна енергія перетворюється у внутрішню, але ніколи автомобіль чи маятник не відновлять свій рух за рахунок своєї внутрішньої енергії, ля цього їм потрібна енергія зовнішніх тіл. Кількість таких прикладів можна навести безліч. Усі вони свідчать, що процеси в природі мають певну спрямованість, і у зворотному напрямі вони самовільно відбуватися не можуть.

Напрям можливих енергетичних перетворень вказує ІІ закон термодинаміки. Він підтверджує необоротність процесів в природі і був сформульований на основі дослідних фактів багатьма вченими: Клаузіусом, Планком, Томсоном.

Зміст ІІ ЗТД наступний: енергія не може переходити сама по собі від менш нагрітого тіла до більш нагрітого.

Тоді ІІ ЗТД заперечує можливість створення вічного двигуна ІІ роду:

Не можна створити машину, яка, отримавши ззовні деяку кількість теплоти при будь-якій температурі, повністю перетворила б її в механічну роботу і при цьому повернулась точно у вихідний стан. Інакше багатократно повторюючи такий цикл, можна було б перетворити в механічну роботу величезні запаси енергії які акумульовані у воді морів, океанів землі.

Таким чином,

І ЗТД заперечує можливість існування машини, за допомогою якої можна було б виробити енергію з нічого, а ІІ ЗТД заперечує можливість створення машини, здатної виконувати роботу лише за рахунок охолодження одного тіла.

Теорема Карно

Максимальний ККД будь-якої теплової машини не залежить від природи робочого тіла, а визначається тільки температурами нагрівача і охолоджувача:

                                                                              (19)                                  

     

4. Способи підвищення ККД ТМ

1. В певних межах підвищення температури нагрівника і зниження температури охолоджувача

2. Підвищення жаростійкості і жароміцності матеріалів для виготовлення двигунів.

3. Зниження втрат енергії на подолання тертя в деталях машин.

4. Зменшення теплопередачі навколишньому середовищу.

5. Застосування ТМ

1. Добування електроенергії (парові турбіни)

2. Транспорт:

– ДВЗ на автотранспорті

– Тепловози; теплоходи

– Поршневі, турбогвинтові, турбореактивні двигуни на повітряному транспорті

– Ракетні двигуни для запуску космічних супутників, станцій, кораблів

– ДВЗ – основа механізації с.г.: трактори, комбайни, самохідні шассі, насосні станції, бензопилки тощо

– Вогнепальна зброя

 

6. Проблеми охорони довкілля, пов’язані з використанням ТМ

1. 10-25% кисню, який виробляють зелені рослини, витрачається на згоряння різноманітного палива ТМ. 2% суші зайнято автостоянками і заправками.

2. Автошум – 80% технічних шумів (глушники, фільтри)

3. Викиди в атмосферу шкідливих продуктів згоряння (зола, пластівці сажі; оксиду карбону та вихлопні гази авто).

4. Сумарна номінальна Р всіх поршневих ДВЗ (без мотоциклів і човнів) у декілька разів перевищує Р всіх електростанцій.

5. До 40% забруднень середовища припадає на транспорт. Щодня кожна тисяча автомобілів викидає в атмосферу > 3т СО і сотні кг інших шкідливих речовин

6. На S = 1000 км 1 авто спалює стільки О₂, що вистачило б для дихання однієї дорослої людини на рік.

7. Навколишнє середовище, яке служить охолоджувачем для більшої частини ТМ, нагрівається, що призводить до підвищення середньої температури на Землі, а це веде до змін клімату на планеті і танення льодовиків (тобто до підвищення рівня світового Океану).

8.  На дорогах світу  автомобілів.

7. Шляхи зниження шкідливого впливу роботи ТМ

1. Підвищення ступеня згоряння палива.

2. Не допускаються до використання автомобілі із викидом СО > 1-2% (в залежності від тиску).

3. Використання палива без шкідливих викидів, у яких продукт згоряння Н₂О або О₂)

4. Заміна рідкого палива етиловий спирт, газове паливо.

5. Встановлення фільтрів, які значно зменшують викид шкідливих речовин.

6. Створення електромобілів.

7. Виготовлення веломобілів і навіть “педальних літаків”.

8. Використання енергії Сонця, річок, вітру.

*8. Холодильна машина – це ТМ, принцип дії якої ґрунтується на оборотності циклу звичайної ТМ і призначений для зниження температури у бажаному об’ємі.

ХМ працює як тепловий насос: вона передає теплоту від холодного тіла до нагрітого. Це не суперечить ІІ ЗТД, оскільки охолодження відбувається за рахунок виконання роботи зовнішніми силами компресором, електродвигуном над робочим тілом ХМ. Таким чином ХМ приводиться в дію.

Семінар «Теплові двигуни»

Перелік питань, які виносяться на семінар

1. Принцип будови і дії теплових двигунів.

2. Дизельні двигуни внутрішнього згорання

3. Карбюраторні двигуни внутрішнього згорання

4. Інжекторні двигуни внутрішнього згорання

5. Парові двигуни і турбіни

6. Реактивні двигуни і турбіни

7. Турбореактивні двигуни і турбіни

8. Вплив теплових двигунів на довкілля 

 

Інформаційні джерела

1. Гончаренко С.У. Фізика. 10 клас. Будь-яке видання

2. Підручники із сільськогосподарської техніки, зокрема: Трактори і автомобілі

3. Інтернет-ресурси

 

 

Вимоги до доповідей

1. Доповідь готується згідно написаного реферату

2. Реферат може бути написаний від руки або напечатаний на листах формату А-4

Реферат має містити:

1) титульну сторінку (із зазначенням назви навчального закладу, відділення, дисципліни, теми реферату, даних виконавця і перевіряючого)

2) зміст

3) вступ

4) основну частину (3-6 пунктів)

5) висновки

6) перелік інформаційних джерел (друковані видання та Інтернет-ресурси).

Вимоги до печатних робіт:

1) мова українська,

2) обсяг 5 – 12 повних сторінок, сторінки нумеруються

3) Word, шрифт – Times New Roman, кегль – 14, інтервал – 1

4) поля: праве – 20 мм, верхнє, праве, нижнє – 15 мм

5) заголовок пункту основної частини виділяється жирним шрифтом і нумерується згідно змісту

6) формули виконуються в Microsoft Equation і нумеруються

7) малюнки виконуються векторною графікою і нумеруються

8) скановані малюнки виконуються з роздільною здатністю не менш 300 dri

9) підписи до рисунків виконуються шрифтом: кегль – 12 (курсив).

10) посилання на джерела у тексті подаються у квадратних дужках (наприклад: [1, с. 56]; [4, с. 89 – 90]), список використаних джерел друкується в алфавітному порядку за вимогами до оформлення літературних джерел у режимі „Список”. 

11) разом з рефератом подається його електронний варіант

12) для консультації можна відіслати електронний варіант реферату на адресу alenka-zs@ meta.ua

3. Тривалість доповіді 5 хв

У доповіді слід розкрити наступні питання:

1) тема реферату

2) актуальність теми

3) суть (зміст) теми – визначення об’єкта дослідження (явища, властивості, пристрою, закону і т.п.), основні принципи будови і дії (за допомогою схем, формул, малюнків), основні характеристики і параметри (фізичні величини, їх одиниці вимірювання, формули, зв’язки, способи і засоби вимірювання), позитивні і негативні сторони, практичне застосування (звернути увагу на свою спеціалізацію), вплив на довкілля, шляхи і можливості підвищення якості використання і усунення негативного впливу

4) сформулювати висновки

4. Для демонстраційного супроводу доповіді (по можливості) підготувати комп’ютерну презентацію, плакати, фолії для кодоскопа, модель або макет пристрою і т.п.

5. Бути готовим дати відповіді на питання по темі реферату і семінару

 

 

Частина 3. Основи термодинаміки

Тема 1. Внутрішня (теплова) енергія і способи її зміни

Термодинаміка (ТД) вивчає теплові явища і процеси, не враховуючи молекулярну будову речовини.

1. Внутрішня (теплова) енергія U – це основне поняття ТД.

Внутрішня енергія як фізична величина є кількісною мірою теплового руху частинок ТДС (речовини) і зумовлена її мікростанами. Тобто U характеризує ТДС_т тіл (і їх систем) у даний момент часу і визначається швидкостями і взаємодією їхніх молекул, а отже, і сумою кінетичної енергії теплового руху частинок та потенціальної енергії їх взаємодії:                  

                                                      _,                                                    (1)

а . Оскільки Т і V є основними параметрами ТДС_т системи, то можна сказати, що внутрішня енергія є функцією стану ТДС.

[U] = Дж.

 

2. Внутрішня енергія ідеального газу

1. U одноатомного ІГ

Молекули одноатомного газу рухаються тільки поступально:

,      

                                                                                       (2)                                                                                                                      

Виходячи з рівняння Менделєєва , матимемо

                                                         

                                                                                                                                             (3)              

                                                                                 

2. U багатоатомного ІГ

Молекули багатоатомних газів перебувають не лише у стані поступального руху, а й обертального, тому коефіцієнти пропорційності між U і Т інші:

· U 2-атомного газу

                                                                                                                    (4)                                                                                                                  

· U газу, молекули якого складаються з трьох і більше атомів

                                                                                                                  (5)                           

З формул (2) – (5)  внутрішня енергія газу постійної маси залежить тільки від роду газу (М) і від температури Т.

Слід зазначити, що формули (3) і (4) для реальних газів не виконуються при високих температурах, оскільки при цьому в молекулах виникають ще коливання атомів, що веде до збільшення внутрішньої енергії газу.

Фізичний зміст має не сама внутрішня енергія ТДС, а зміна внутрішньої енергії в ході того чи іншого теплового процесу, що відбувається з даною ТДС.

 

3. Способи зміни внутрішньої енергії ТДС

 

 

І. Тепловий – пов’язаний із зміною Т – теплопередача: ΔТ → Q.

ІІ.Механічний – пов’язаний із зміною V – виконання роботи: ΔV → А.

І. Тепловий спосіб зміни U – теплопередача (теплообмін) – процес передачі внутрішньої енергії від однієї ТДС до іншої без виконання роботи (або: обмін енергією між ТДС, які знаходяться у тепловому контакті).

1.

Види теплопередачі

1) Теплопровідність – передача енергії від більш нагрітих тіл (або їх частин) до менш нагрітих, яка обумовлена безпосередньою взаємодією частинок тіл і веде до вирівнювання температури тіл (або їх частин) без перенесення речовини; властива тілам в усіх АСР, найкраща у твердих тіл, найгірша – в газах.

Пояснення: молекули з різними швидкостями та енергією зіштовхуються  відбивається обмін енергією між „швидкими” і „повільними” молекулами, що і веде до вирівнювання температури тіл, які стикаються.

Приклад: нагрівання металевих стержнів, нагрівання рук теплою водою.

2) Конвекція – передача енергії від більш нагрітих шарів рідини або газу до менш нагрітих; супроводжується перенесенням речовини.

Пояснення: підвищення Т призводить до розширення газу (або рідини), що веде до зменшення його густини, а отже, і руху шару газу (або рідини) вгору внаслідок зменшення сили тяжіння, що на нього діє.

Приклад: нагрівання води у чайнику, нагрівання повітря у кімнаті.

3) Теплове випромінювання – передача енергії завдяки електромагнітним хвилям (інфрачервоне випромінювання, довгохвильове); здійснюється будь-якими ТДС (в т.ч. і вакуумом).

Приклад: нагрівання повітря сонячним промінням.

Теплову енергію випромінюють і поглинають всі тіла, оскільки всі вони мають внутрішню енергію. Випромінювання і поглинання теплової енергії залежить від стану і кольору поверхні тіла (шорсткі, темні краще поглинають енергію, ніж гладкі і блискучі).

Результат теплообміну – тепловий процес:

1) зміна температури ТДС –

2) зміна агрегатного стану речовини: пароутворення: рідина → тверде тіло (ΔТ > 0); 

                                                плавлення: тверде тіло → рідина ΔТ > 0;

                                                 конденсація: рідина → пара (ΔТ < 0).

 

2. Кількість теплоти Q – частина внутрішньої енергії, поглинутої або переданої ТДС при теплопередачі.

[Q] = Дж.

 Якщо ТДС поглинає (отримує) енергію, то Q > 0 (при плавленні, пароутворенні).

 Якщо ТДС виділяє (віддає) енергію, то Q < 0 (при конденсації, кристалізації).

3. Теплоізольована система (ТІС) – ТДС, яка не обмінюється внутрішньою енергією з іншими ТДС або навколишнім середовищем.

 

4. Закон збереження і перетворення енергії при теплопередачі для ТІС – рівняння теплового балансу:

                                                                                                                   (6)            

                                                                                                                                                                           

 

5. Теплові процеси (ТП) і розрахункові формули теплоти, що їх описують

 

Назва ТП	Формула Q	Коефіцієнт, його розмірність	Назва і фізичний зміст коефіцієнта
Нагрівання (Q > 0) Охолодження (Q < 0)	*	, Дж/К , Дж/кг·К   , Дж/моль·К	теплоємність речовини – кількість теплоти, яку необхідно затратити для нагрівання цієї речовини на 1К (або 10С); питома теплоємність речовини – кількість теплоти, яку необхідно затратити для нагрівання 1 кг цієї речовини на 1К; молярна теплоємність речовини – кількість теплоти, яку необхідно затратити для нагрівання 1 моля цієї речовини на 1К
Плавлення (Q > 0) Тверднення (Q < 0)		, Дж/кг	питома теплота плавлення – кількість теплоти, необхідна для перетворення 1 кг даної речовини з твердого стану у рідкий при температурі плавлення tпл= const
Пароутворення (Q>0) Конденсація (Q < 0)		, Дж/кг	питома теплота пароутворення – кількість теплоти, необхідна для перетворення 1 кг даної речовини з рідкого стану у газоподібний при температурі кипіння tк= const
Згорання (Q > 0)		, Дж/кг	питома теплотазгорання – кількість теплоти, яка утворю-ється під час повного згорання 1кг палива

 

1234Следующая ⇒

Поделиться: