Первый закон термодинамики для изопроцессов

1. Изохорный процесс: ,

Изменение внутренней энергии газа равно количеству переданной теплоты.

2. Изотермический процесс:

Количество теплоты, переданное газу, идёт на совершение работы.

3. Изобарный процесс: ,

Количество теплоты, переданное газу, идёт на изменение его внутренней энергии и на совершение им работы.

Адиабатный процесс

– процесс, протекающий в теплоизолированной системе, системе, которая не обменивается теплом с окружающей средой. Адиабатный процесс – это идеальный процесс. Реальные процессы можно считать адиабатными, если они происходят так быстро, что система не успевает обменяться теплом с окружающей средой.

Первый закон термодинамики для адиабатного процесса:

или

Изменение внутренней энергии газа происходит только за счёт совершения работы.

График адиабатного процесса – адиабата.Адиабата из состояния 1 идёт круче изотермы.

Работа газа в адиабатном процессе геометрически есть площадь фигуры под адиабатой.

адиабата

 

1 изотерма

Адиабатное расширение газа сопровождается его охлаждением, т.к. , , т.е. внутренняя энергия газа уменьшается, и его температура понижается.

Адиабатное охлаждение газов при их расширении используется в машинах для сжижения газов. Охлаждение газа при адиабатном расширении происходит в атмосфере Земли и приводит к образованию облаков.

Адиабатное сжатие газа сопровождается его нагреванием, т.к. , , т.е. внутренняя энергия газа увеличивается, и его температура повышается.

Нагревание воздуха при быстром сжатии нашло применение в дизельных двигателях внутреннего сгорания.

Второй закон термодинамики

указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе.

Необратимый процесс– это процесс, обратный которому самопроизвольно происходить не может. Процесс перехода механической энергии во внутреннюю энергию, затухающие колебания маятника, падение тел под действием силы тяжести, процесс теплообмена (переход теплоты от горячего тела к холодному), диффузия являются примерами необратимых процессов.

Несколько формулировок второго закона термодинамики, которые, несмотря на внешнее различие, выражают в сущности одно и то же:

1. Замкнутая система из большого числа частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное состояние, т.е. изолированная система самопроизвольно переходит из менее вероятного состояния в более вероятное.

2. Невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах (Р. Клаузиус).

3. Невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты в эквивалентную ей работу (У. Кельвин).

Многие процессы в природе, вполне допустимые законом сохранения энергии, никогда не протекают в действительности, т.к. имеют определённую направленность, никак не отражённую в первом законе термодинамики, но указанную во втором законе термодинамики.

Если бы реки потекли вспять, это не означало бы нарушение закона сохранения энергии, но означало бы нарушение второго закона термодинамики, т.к. согласно ему этот процесс происходить самопроизвольно не может.

Тепловые двигатели

-устройства, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Примеры тепловых двигателей: двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, реактивные двигатели, холодильные машины.

Нагреватель, T1

Принцип действия теплового двигателя:

Рабочее тело

 

Холодильник, T2

Три основных элемента любого теплового двигателя:

1. Рабочее тело (газ или пар) при расширении совершающее работу.

2. Нагреватель с температурой T₁, сообщающий энергию рабочему телу.

3. Холодильник с температурой T_2, поглощающий часть энергии от рабочего тела.

Механическая работа в двигателе совершается при расширении рабочего тела. Для цикличной, непрерывной работы двигателя необходимо возвращение рабочего тела в первоначальное состояние, т.е. его сжатие. Таким образом, в процессе работы теплового двигателя периодически повторяются процессы расширения и сжатия газа. Полная механическая работа за цикл складывается из работы расширения газа и работы, совершаемой при сжатии газа

Для получения положительной полной механической работы необходимо, чтобы работа сжатия газа была меньше работы расширения

Для этого расширение газа должно происходить при более высокой температуре, чем сжатие. Поэтому перед сжатием газ должен быть охлаждён, т.е. приведён в контакт с холодильником.

Температуру нагревателя, например, в паровых турбинах пар приобретает в паровом котле, а в двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах получают нагретый газ при сгорании топлива внутри самого двигателя. Холодильником у многих двигателей является атмосфера, а у паровых турбин специальные устройства для охлаждения и конденсации пара – конденсаторы.

Для непрерывного совершения механической работы во всех тепловых машинах используются замкнутые (циклические) процессы.

В тепловом двигателе нельзя преобразовать в механическую работу всё количество теплоты , получаемое рабочим телом от нагревателя,

Некоторое количество теплоты ( отдаётся холодильнику,

Работа, совершаемая двигателем за цикл равна .

Для оценки эффективности преобразования внутренней энергии газа в механическую работу, совершаемую за цикл, вводится коэффициент полезного действия – .

Коэффициент полезного действия теплового двигателя –отношение работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Коэффициент полезного действия теплового двигателя всегда меньше единицы, т.к. не один тепловой двигатель не может работать без холодильника: .

Французский инженер С.Карно, выясняя, при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов (идеальная тепловая машина).

 

1 на графике работа газа за цикл –площадь фигуры,

2 ограниченной изотермами и адиабатами.

4

3

1-2 изотермическое расширение при температуре нагревателя , работу совершает газ за счёт подведённого к нему количества теплоты ( = .

2-3 адиабатное расширение без теплообмена, всё изменение внутренней энергии газа преобразуется в механическую работу ( ), в результате газ охлаждается до температуры холодильника .

3-4 изотермическое сжатие при температуре холодильника , газ сжимается, передавая холодильнику количество теплоты ( = .

4-1 адиабатное сжатиебез теплообмена ( ), в результате газ нагревается до температуры нагревателя .

Максимальное значение КПД идеальной тепловой машины, соответствующее циклу Карно:

Любой реальный тепловой двигатель, имеющий температуру нагревателя и температуру холодильника , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Кроме того, из-за энергетических потерь, которые не предусмотрены в идеальном тепловом двигателе, КПД реальных тепловых двигателей всегда меньше КПД идеальной тепловой машины.

Например, для паровой турбины .При этих температурах максимальное значение КПД , действительное же значение КПД

Для повышения КПД теплового двигателя теоретически следует понижать температуру холодильника и увеличивать температуру нагревателя. Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любые материалы, из которых изготавливают реальные двигатели, обладают ограниченной теплостойкостью и жаропрочностью. Усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания.

 

Литература

1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика: Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 2005.

2. В.А. Касьянов. Физика: Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений. – М.: АСТ: Астрель, 2008.

3. П.И. Самойленко, А.В. Сергеев. Физика: Учебник для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2009.

4. Г.Н. Степанова Физика: 10 и 11 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. – СПб.: ООО «СТП Школа», 2004.

5. Н. М. Шахмаев, С.М. Шахмаев, Д. Ш. Шодиев. Физика: Учебник для 10 класса средней школы. – М.: Просвещение, 1991.

6. Л.С. Жданов, Г.Л.Жданов. Физика для средних специальных учебных заведений. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1987.

7. О.Ф. Кабардин. Физика: Справочные материалы. Учебное пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1985.

8. Б.М. Яворский, Ю.А. Селезнёв. Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и самообразования.

– М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984.

⇐ Предыдущая12345678

Поделиться: