Avtonova37.ru

Авто мастер
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Второй закон термодинамики условия работы тепловых двигателей

Второй закон термодинамики.

Первый закон термодинамики утверждает, что теплота может превращаться в работу, а работа в теплоту, не устанавливая условий, при которых возможны эти превращения. Повседневные наблюдения и опыты показывают, что теплота сама может переходить только от нагретых тел к более холодным (до полного равновесия). Только за счет затраты работы можно изменить направление движения теплоты. Это свойство теплоты резко отличается от работы. Работа легко и полностью превращается в теплоту.

В тепловых машинах превращение теплоты в работу происходит только при наличии разности температур между источниками теплоты и теплоприемниками. При этом вся теплота не может быть превращена в работу. Закон, позволяющий указать направление теплового потока, и устанавливающий максимально возможный предел превращения теплоты в работу в тепловых машинах — 2-й закон термодинамики.

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Тепловые двигатели. Второй закон термодинамики»

Первый закон термодинамики является частным случаем всеобщего закона сохранения энергии, в котором утверждается, что количество энергии при любых её превращениях остаётся неизменным. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения энергии, в действительности же никогда не протекают. Например, первый закон термодинамики допускает самопроизвольный переход энергии как от более нагретого тела к менее нагретому, так и наоборот. Важно только то, чтобы уменьшение внутренней энергии одного тела было равно увеличению внутренней энергии другого тела. Но наш опыт подсказывает, что самопроизвольного перехода энергии от менее нагретого к более нагретому телу в природе не существует. Например, трудно себе представить, чтобы кубик льда, брошенный в сосуд с водой, охлаждался бы ещё больше. Наоборот, всегда некоторое количество теплоты будет самопроизвольно переходит от тёплой воды к холодному кубику льда, пока в системе «лёд—вода» не установится тепловое равновесие.

Таким образом, первый закон термодинамики не позволяет нам установить, в каком направлении может происходить термодинамический процесс. Направленность реальных тепловых процессов определяется вторым законом (или вторым началом) термодинамики. Идея, лежащая в основе этого закона, была заложена ещё Сади Карно в 1824 году. В своей работе он писал, что «при отсутствии разности температур теплота не может быть преобразована в работу».

Однако само название «второе начало термодинамики» и исторически первая её формулировка датируются 1850 годом и принадлежат немецкому учёному Рудольфу Клаузиусу: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

Этот научный факт и определяет единственно возможное направление самопроизвольного протекания тепловых процессов — они идут в направлении к состоянию теплового равновесия.

Кто-то из вас может возразить, что, например, в холодильниках процесс теплопередачи идёт от более холодного тела к менее холодному. И действительно, у охлаждаемого продукта уменьшается его температура, а убыль внутренней энергии в виде количества теплоты передаётся в окружающую среду. Но ведь этот процесс протекает не сам по себе, а происходит за счёт работы двигателя компрессора холодильника. То есть эта передача энергии связана с другими изменениями в окружающих телах.

Из второго закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя второго рода, то есть двигателя, который совершал бы работу за счёт охлаждения какого-либо одного тела.

Важность второго начала и в том, что из него можно вывести заключение о необратимости не только процесса теплопередачи, но и других процессов в природе.

Давайте проведём виртуальный опыт. Предположим, что у нас есть абсолютно упругий шар, который падает с некоторой высоты в абсолютном вакууме на абсолютно упругую плиту. Не трудно доказать, что после отражения от плиты шар вернётся в исходную точку, пройдя в обратном направлении все те промежуточные состояния, которые он проходил при падении. И в конечном итоге система вернётся в своё исходное состояние. Такой процесс в физике принято называть обратимым.

Но в действительности в природе нет строго консервативных систем. Во всех реальных системах всегда действуют силы трения. То есть реальные процессы, происходящие в природе, являются необратимыми.

Необратимыми называются такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать лишь в одном определённом направлении; в обратном направлении они могут протекать только при внешнем воздействии.

Все реальные тепловые процессы являются необратимыми. Например, мы знаем, что при диффузии выравнивание концентрации происходит самопроизвольно. Однако обратный процесс, то есть разделение смеси газов на составляющие её компоненты, никогда не произойдёт.

Второе начало термодинамики определяет направление процессов в изолированной системе, однако этот закон носит статистический (то есть вероятностный) характер. Поясним. Итак, нам уже известно, что любое макросостояние системы, характеризующееся некоторыми макропараметрами, определяется его микросостояниями. Например, давление газа и его температура определяются числом молекул, их скоростью, распределением молекул по объёму и так далее. И если изолированную систему предоставить самой себе, то, как мы знаем, со временем она придёт в равновесное состояние. Процесс перехода системы из неравновесного состояния в равновесное — необратимый процесс.

Но равновесное состояние соответствует хаотичному движению молекул, то есть система, с точки зрения микросостояний, приходит к полному хаосу, который предполагает непрерывное перемещение молекул газа по всему объёму, обмен скоростями и тому подобное. В то же время макропараметры газа не меняются.

Движение молекул — это механическое движение, которое является обратимым. В то же время все необратимые процессы, такие, как теплообмен, происходят вследствие механического движения атомов и молекул, так как столкновения молекул обеспечивают передачу энергии. То есть получается, что необратимые процессы являются следствием обратимого механического движения.

Для соединения этих двух неоспоримых фактов, Людвиг Больцман использовал понятие вероятности. Так, состояние газа, при котором молекулы движутся хаотично, является наиболее вероятным, наиболее вероятным является и равномерное распределение молекул по объёму сосуда, например, вашего класса. Но возможно и такое, что из-за случайных перемещений, все молекулы в какой-то момент времени займут одну часть класса, а мы — другую. Что произойдёт? Правильно, мы задохнёмся.

Но какова вероятность того, что такой процесс произойдёт на самом деле? Наверное, такая же, как и вероятность того, что 30 000 тысяч обезьян стуча по клавиатуре наберут без ошибок текст «Войны и мира» Льва Николаевича Толстого.

Следовательно, мы можем смело сказать, что вероятность обратных процессов перехода от равновесных состояний к неравновесным для макроскопических систем чрезвычайно низкая. Однако для малых объёмов, содержащих небольшое количество молекул, вероятность отклонения от равновесия становится достаточно заметной. Такие случайные отклонения системы от равновесия называются флуктуациями.

Именно флуктуациями плотности газа в земной атмосфере в областях порядка длины волны объясняется голубой цвет нашего неба. Именно флуктуациями давления в малых объёмах можно объяснить броуновское движение.

Таким образом, второй закон термодинамики выполняется только для макросистем.

В начале урока мы с вами отмечали, что идея, лежащая в основе второго начала термодинамики, была заложена ещё Сади Карно в его исследовании «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», посвящённом паровым машинам.

С тех пор как человечество познало закономерности тепловых явлений, учёные стремились найти способы использования тепловой энергии, и, в частности, способы преобразования её в механическую.

Устройства, которые совершают механическую работу за счёт внутренней энергии топлива, называются тепловыми двигателями.

Интересно, но первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано ещё в первом столетии Героном Александрийским. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться.

Однако долгое время устройства, приводимы в движение паром, не применялись для решения полезных задач. Лишь в конце XVII — начале XVIII веков исследованием паровых машин учёные заинтересовались всерьёз.

Читать еще:  Фиат альбеа как слить антифриз с блока двигателя

Простейший тепловой двигатель представляет собой цилиндрический сосуд, в котором находится газ под поршнем. Поместим на поршень тело некоторой массы и будем нагревать газ в цилиндре. По мере роста давления газа, его объём увеличивается и поршень приходит в движение, поднимая тело на некоторую высоту. Сила давления газа совершает работу.

Но, работа эта одноразовая и такие устройства малопригодны. Поэтому первый принцип действия тепловых двигателей — это цикличность (непрерывность) их работы. Тело, совершающее работу, — рабочее тело, после получения количества теплоты от нагревателя, находящегося при температуре «Тэ один» (Т1), должно в конечном счёте вернуться в исходное состояние, чтобы снова начать такой же процесс.

Для возвращения поршня в исходное положение газ необходимо сжать до первоначального объёма. При этом внешняя сила совершает работу сжатия. Но если сжатие будет происходить при той же температуре, что и расширение газа, то полная работа газа за один цикл (расширение — сжатие) окажется равной нулю. Отсюда вытекает второй принцип действия тепловых двигателей — сжатие газа должно происходить при более низкой температуре, чем его расширение.

Из рисунка видим, что в этом случае полная работа газа за цикл положительная и численно равна площади закрашенной фигуры:

SABCD = SABEF SDCEF.

Значит, перед сжатием рабочее тело необходимо охладить. Это осуществляется путём передачи количества теплоты третьему телу — холодильнику. Из сказанного следует, что для работы циклического теплового двигателя кроме нагревателя и рабочего тела необходимо наличие холодильника.

Таким образом, любой тепловой двигатель состоит из трёх основных элементов: нагревателя, рабочего тела (как правило, газ) и холодильника (атмосфера или вода при температуре окружающей среды).

Энергия, выделяемая при сгорании топлива в нагревателе, передаётся рабочему телу (газу) путём теплопередачи. При расширении газа часть его внутренней энергии идёт на совершение работы. Некоторое количество теплоты неизбежно передаётся холодильнику.

Эффективнее всего охладить рабочее тело перед сжатием можно путём адиабатного расширения газа, при котором его температура понизится до температуры холодильника. Далее при изотермическом сжатии рабочее тело передаёт холодильнику некоторое количество теплоты. Завершать цикл теплового двигателя эффективнее всего адиабатным сжатием газа до первоначальной температуры. Впервые этот цикл был предложен французским инженером Сади́ Карно́, поэтому его ещё называют циклом Карно.

При такой цикличности тепловой двигатель обладает максимально возможным коэффициентом полезного действия.

Тепловые двигатели. Второй закон термодинамики

1. Принцип действия и основные элементы теплового двигателя

В курсе физики основной школы вы уже познакомились с различными видами тепловых двигателей и их устройством. Тепловые двигатели сыграли большую роль в истории человечества и сохраняют огромное значение сегодня. Они движут автомобили, вращают турбины тепловых электростанций, разгоняют космические корабли.

Принцип действия теплового двигателя

Тепловые двигатели названы так потому, что в них сжигают топливо (например, газ или бензин) для получения высокой температуры.

Она нужна для того, чтобы увеличить давление газа, который совершает работу при расширении (например, двигая поршень, соединенный передаточным механизмом с ведущими колесами автомобиля). Этот газ называют рабочим телом.

При расширении газу передается количество теплоты Q1. На рисунке 43.1 график зависимости p(V) при расширении газа схематически показан красной линией. Как вы уже знаете, работа Aг, совершенная при этом газом, численно равна площади фигуры под этим графиком (на рисунке она закрашена).

Действие теплового двигателя имеет циклический характер, то

Сжимая газ, надо совершать работу над газом. Чтобы двигатель совершал полезную работу, работа по сжатию газа должна быть меньше работы газа при его расширении. Для этого надо сжимать газ при меньшем давлении.

А чтобы уменьшить давление газа, надо понизить его температуру, Для этого при сжатии надо охлаждать газ, то есть отбирать у него некоторое количество теплоты Q2.

График зависимости p(V) при сжатии более холодного газа изображен на графике (рис. 43.2) синей линией. Работа Aвнеш внешних сил, совершаемая при этом над газом, численно равна площади фигуры под этим графиком (на рисунке она закрашена).

Полезная работа Aпол совершенная двигателем за один цикл, равна разности работы газа Aг и работы внешних сил Aвнеш:

Aпол = Aг — Aвнеш. (1)

Из этого соотношения следует, что полезная работа численно равна площади, заключенной внутри цикла в координатах p, V. Она закрашена на рисунке 43.3.

Подсказка. Воспользуйтесь первым законом термодинамики и тем, что при возвращении в начальное состояние внутренняя энергия газа не изменилась.

Основные элементы теплового двигателя

Итак, тепловой двигатель состоит из следующих основных элементов (рис. 43.4).

    Нагреватель — сжигаемое топливо. Нагреватель имеет высокую температуру T1 и при контакте с рабочим телом передает ему количество теплоты Q1. Рабочее тело — обычно газ. Холодильник — обычно окружающий воздух или вода водоема. Температура T2 холодильника ниже температуры нагревателя: T2 0, коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше 100 %.

? 2. За некоторое время нагреватель передал рабочему телу количество теплоты 5 кДж, а рабочее тело отдало холодильнику количество теплоты 4 кДж. Чему равен КПД?

Максимально возможный КПД теплового двигателя

Исследуя различные циклические процессы, французский ученый С. Карно доказал, что

Максимально возможный коэффициент полезного действия теплового двигателя

Ηmax = ((T1 — T2)/T1) * 100%. (5)

В этой формуле T1 — температура нагревателя, а T2 — температура холодильника.

Как увеличить КПД теплового двигателя? Из формулы (5) следует, что этого можно достичь двумя способами: повышая температуру T1 нагревателя и понижая температуру T2 холодильника. Какой способ более эффективен?

Чтобы ответить на этот вопрос, заметим, что температура холодильника T2 не может быть ниже температуры окружающего воздуха, поэтому особенно сильно понизить ее невозможно. Следовательно, единственно возможный путь — повышать насколько возможно температуру T1 нагревателя. Однако и тут есть ограничение: температура нагревателя не должна превышать температуру плавления материалов, из которых изготовлен двигатель.

Формула (5) соответствует максимально возможному КПД теплового двигателя. У реальных тепловых двигателей он существенно меньше максимально возможного. Например, КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 30-40 %.

? 3. Чему равен максимально возможный КПД теплового двигателя, если температура нагревателя 1000 ºС, а температура холодильника 20 ºC?

3. Пример расчета КПД цикла

Вычисление КПД для циклов реальных тепловых двигателей требует использования высшей математики. Мы рассмотрим упрощенный циклический процесс a — b — c — d — a, происходящий с идеальным одноатомным газом (рис. 43.5).

Прежде чем начинать расчеты, проведем качественное рассмотрение.

? 4. В следующей таблице приведены качественные характеристики некоторых этапов указанного циклического процесса. Перенесите таблицу в тетрадь и объясните содержание заполненных ячеек таблицы. Заполните остальные ячейки.

Итак, мы видим, что газ получает от нагревателя некоторое количество теплоты только на этапах a — b и b — c.

Напомним теперь, что коэффициент полезного действия равен отношению полезной работы Aпол к полученному от нагревателя количеству теплоты Q. Мы установили, что это количество теплоты газ получил в процессе a — b — c.

Согласно первому закону термодинамики:

Где Aг и ∆U — работа газа и изменение его внутренней энергии в процессе a — b — c.

? 5. Чему равна работа газа Aг в процессе a — b — c? Подсказка. Воспользуйтесь тем, что работа газа численно равна площади фигуры под графиком зависимости p(V).

Для нахождения изменения внутренней энергии газа воспользуемся формулой (§ 42):

В состоянии с произведение давления газа на его объем равно 2p0 * 2V0 = 4p0V0, а в состоянии a это произведение равно p0V0. Следовательно,

∆U = 3/2 (4p0V0 — p0V0) = 9/2 p0V0. (7)

? 6. Чему равно количество теплоты Q, полученное газом от нагревателя за один цикл? Подсказка. Воспользуйтесь формулой (6), результатом задания 4 и формулой (7).

Читать еще:  Что делать если высветилась ошибка в двигателе

Для нахождения КПД осталось найти полезную работу газа за один цикл.

? 7. Чему равна полезная работа газа за один цикл? Подсказка. Воспользуйтесь тем, что полезная работа численно равна площади, заключенной внутри цикла в координатах (p, V).

Теперь можно найти КПД данного цикла.

? 8. Чему равен КПД данного цикла? Подсказка. Воспользуйтесь результатами заданий 5-7.

4. Второй закон термодинамики

Обратимые и необратимые процессы и явления Среди происходящих вокруг нас явлений есть такие, которые могут протекать практически одинаково как в прямом, так и в обратном направлении во времени — как в фильме, который показывают в обратном порядке, от конца к началу. Такие явления называют обратимыми.

Явления же, которые могут протекать только в одном направлении, называют необратимыми.

Практически обратимыми являются механические явления, в которых очень мала роль трения: например, колебания груза на нити или на пружине.

Если заснять их, а затем показывать фильм в обратном порядке, зрители не заметят «обращения времени»: им будет казаться, что они наблюдают реальный процесс.

Однако те механические явления, в которых трение играет существенную роль, являются необратимыми: если показывать фильм о таких явлениях в обратном порядке, зрители сразу же это заметят.

Например, при прямом показе фильма катящийся по траве мяч замедляется и останавливается, а при обратном показе лежащий на траве мяч вдруг ни с того ни с сего начинает катиться, причем с возрастающей скоростью.

Среди тепловых явлений также есть обратимые и необратимые. Например, при адиабатном сжатии и расширении газа (то есть при отсутствии теплопередачи) газ ведет себя подобно пружине: если надавить на поршень, под которым находится газ в теплоизолированном цилиндрическом сосуде, а затем отпустить поршень, то он начнет совершать колебания — как груз на пружине.

Однако те тепловые явления, в которых существенную роль играет теплопередача, нельзя рассматривать как обратимые даже приближенно, так как теплопередача направлена всегда в одну сторону — от горячего тела к холодному.

Поскольку трение или теплопередача в той или иной степени присутствуют в любом процессе, все происходящие в природе процессы являются необратимыми. Например, колебания груза, подвешенного на нити или на пружине, могут продолжаться довольно долго, но постепенно они затухают и в конце концов прекращаются.

Второй закон термодинамики

Необратимость процессов обусловлена тем, что более упорядоченное состояние вещества со временем переходит в менее упорядоченное. (Закономерность такого перехода обосновывается с помощью теории вероятностей, но это обоснование выходит за рамки нашего курса.)

Например, вследствие трения кинетическая энергия тела, движущегося как единое целое, превращается в энергию хаотического движения молекул. При теплопередаче упорядоченность также уменьшается: у тел с разной температурой молекулы «рассортированы» по энергиям (средняя энергия молекул одного тела больше средней энергии молекул другого тела), а после выравнивания температур средние энергии молекул обоих тел становятся одинаковыми.

Утверждение о необратимости процессов в природе называют вторым законом термодинамики. Есть несколько равноценных с физической точки зрения формулировок этого закона. Например, немецкий ученый Р. Клаузиус предложил такую формулировку:

Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача некоторого количества теплоты от холодного тела к горячему.

В этой формулировке речь идет о передаче некоторого количества теплоты как единственном результате. Домашний холодильник осуществляет передачу тепла в обратном направлении — от холодных продуктов в морозильной камере к теплому окружающему воздуху, но при этом электродвигатель холодильника потребляет электроэнергию, которая вырабатывается на электростанции. Выработка же электроэнергии сопровождается необратимыми процессами.

Поэтому охлаждение продуктов в морозильной камере — не единственный результат всего процесса.

5. Энергетический и экологический кризисы

Энергетический кризис понимают как недостаток энергии для развития промышленного производства. Он является сегодня одной из острых проблем цивилизации. Но как согласовать энергетический кризис с законом сохранения энергии: ведь если энергия сохраняется, то как ее может не хватать? Дело в том, что энергетический кризис состоит прежде всего в недостатке энергии, пригодной для преобразования в механическую.

Например, мы видели, что при работе тепловых двигателей происходит преобразование химической энергии топлива в механическую энергию, которая затем превращается в энергию хаотического движения частиц. Это преобразование энергии является необратимым.

Запасы топлива на нашей планете неуклонно уменьшаются: например, разведанных запасов нефти при нынешнем темпе ее использования хватит всего на несколько десятилетий. Таким образом, энергетический кризис является следствием необратимости процессов, происходящих в природе и технике.

Не менее серьезной проблемой, стоящей перед человечеством, является экологический кризис.

Огромные масштабы преобразования энергии уже начали оказывать воздействие на климат Земли и состав атмосферы.

Во всех тепловых двигателях в качестве холодильника используется окружающая среда (атмосферный воздух и вода открытых водоемов). В результате происходит повышение температуры окружающей среды, называемое тепловым загрязнением (рис. 43.6).

Оно усугубляется тем, что при сгорании огромного количества топлива повышается концентрация углекислого газа в земной атмосфере. В результате атмосфера не пропускает в космическое пространство тепловое излучение нагретой Солнцем поверхности Земли. Из-за этого возникает так называемый парниковый эффект, вследствие которого температура может повыситься еще больше.

Ученые установили, что средняя температура на Земле в течение последних десятилетий неуклонно повышается. Одной из причин этого может быть работа большого и все возрастающего количества тепловых двигателей — в основном на электростанциях и в автомобилях. Это грозит глобальным потеплением с весьма нежелательными последствиями.

К их числу относятся таяние ледников и подъем уровня мирового океана.

Кроме того, при сжигании топлива в тепловых двигателях расходуется необходимый для жизни атмосферный кислород, а также образуются вредные вещества, загрязняющие атмосферу. Качество воздуха в больших городах оставляет желать лучшего.

Чтобы смягчить негативные последствия работы тепловых двигателей, стараются максимально повысить их КПД и уменьшить выбросы вредных веществ.

ТЕРМОДИНАМИКА

Термодинамика – раздел физики, изучающий тела, находящиеся в состоянии термодинамического равновесия и явления, сопровождающие переходы между этими состояниями.

Термодинамическое равновесие – состояние тел (или частей тела), при котором остаются постоянными все величины, характеризующие эти тела (или части тела): объёмы, давления, расположение масс и др.

Температура – единственная физическая величина, всегда одинаковая у всех тел (или частей тела), находящихся в состоянии термодинамического равновесия.

Термометр – прибор для измерения температуры. Единица температуры – 1 кельвин (1 К). Также используется 1 °С, равный 1 К.

Теплообмен – переход внутренней энергии одного тела во внутреннюю энергию другого тела без совершения механической работы.

Количество теплоты – физическая величина, показывающая энергию, полученную (отданную) телом при теплообмене.

Калориметр – прибор для измерения количества теплоты. Единица количества теплоты – 1 джоуль (1 Дж).

Удельная теплоемкость вещества – физическая величина, показывающая количество теплоты, необходимое для изменения температуры 1 кг этого вещества на 1 °С. Единица удельной теплоёмкости – 1 Дж/(кг·°С).

Количество теплоты, полученное (отданное) телом при теплообмене, пропорционально массе тела и изменению его температуры. Коэффициент пропорциональности – удельная теплоёмкость вещества.

Превращение твёрдого тела в жидкость называют плавлением.Обратное явление называют отвердеванием. Если при этом получается кристаллическое тело, то отвердевание называют кристаллизацией.

Температура

Температурой плавления называют температуру, при которой нагреваемое кристаллическое тело тело начинает плавиться, и при этом одновременно существуют твёрдое и жидкое состояния его вещества.

Температурой кристаллизации называют температуру, при которой охлаждаемая жидкость начинает кристаллизоваться, и при этом одновременно существуют её твёрдое и жидкое состояния.

Как правило, температура кристаллизации вещества равна температуре его плавления. Температура плавления/кристаллизации вещества зависит от внешнего давления и других факторов.

Удельная теплота плавления – физическая величина, показывающая количество теплоты, необходимое для плавления или выделяющееся при кристаллизации 1 кг вещества, находящегося при температуре плавления/кристаллизации. Единица удельной теплоты плавления – 1 Дж/кг.

Количество теплоты, поглощаемое (выделяющееся) при плавлении (кристаллизации), пропорционально массе расплавившегося (кристаллизовавшегося) вещества. Коэффициент пропорциональности – удельная теплота плавления вещества.

Читать еще:  Что означает лампочка двигателя на панели приборов

Видами парообразования являются: испарение – парообразование, происходящее с поверхности жидкости; кипение – парообразование, происходящее по всему объёму жидкости вследствие возникновения и всплытия на поверхность пузырей пара; сублимация – парообразование, происходящее с поверхности твёрдого тела.

Температурой кипения называют температуру, при которой наблюдается кипение вещества (интенсивное парообразование по всему объёму этого вещества). Температура кипения зависит от внешнего давления и других факторов.

Удельная теплота парообразования – физическая величина, показывающая количество теплоты, необходимое для превращения в пар 1 кг вещества (как правило, при температуре кипения). Единица удельной теплоты парообразования – 1 Дж/кг.

Количество теплоты, поглощённое кипящей (или испаряющейся при постоянной температуре) жидкостью, прямо пропорционально массе образовавшегося пара. Коэффициент пропорциональности – удельная теплота парообразования вещества.

При охлаждении/кристаллизации/конденсации выделяется точно такое же количество теплоты, которое было затрачено для нагревания/плавления/парообразования вещества (если температуры и давления при прямом и обратном процессах соответствуют друг другу).Утверждение будет верным и наоборот.

Тепловые явления

Законы термодинамика

Первый закон термодинамики устанавливает равенство между изменением внутренней энергии тела и суммой полученной телом теплоты и совершённой над ним работы.

Тепловой двигатель – периодически действующее устройство, служащее для превращения внутренней энергии рабочего тела (как правило, газа или пара) в механическую энергию.

Количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании вещества (топлива), прямо пропорционально массе сгоревшего вещества (топлива). Коэффициент пропорциональности – удельная теплота сгорания топлива.

Известно три способа теплопередачи (теплообмена) – теплопроводность, конвекция и излучение. При теплопроводности теплота проникает через вещество без его перемещения (в случае отсутствия вещества теплопроводность является нулевой). При конвекции теплота перемещается неравномерно нагретым движущимся веществом (в условиях, когда возможно возникновение архимедовой силы). При излучении теплота передаётся через пространство или вещество в виде электромагнитных волн (для излучения наличие вещества не является обязательным, в отличие от первых двух способов теплопередачи).

Второй закон термодинамики гласит, что теплообмен самостоятельно протекает только в таком направлении, что температура менее нагретого тела возрастает, а более нагретого – уменьшается.

Дополнительные материалы по теме:

Конспект темы «Термодинамика. Теория, формулы, схемы». В учебных целях использованы цитаты из пособия «Физика в таблицах и схемах / Янчевская О.В. — СПб, Литера». Рекомендуем купить указанное пособие по ссылке (переход в Интернет-магазин).

ФИЗИКА

  • Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать запасами энергии еще недостаточно. Необходимо уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу.

Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели, т. е. устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Необратимость процессов в природе налагает определенные ограничения на возможность использования внутренней энергии для совершения работы тепловыми двигателями. Это прямо отражено во втором законе термодинамики в формулировке Кельвина (см. § 5.9).

Простейшая модель тепловой машины

Простейшую тепловую машину можно собрать из стакана с водой, капли анилина и горелки (рис. 5.14). Так как сосуд с водой подогревается снизу, то температура воды Т2 в верхних слоях, естественно, ниже, чем температура Т1 внизу.

Плотность анилина и плотность воды по-разному зависят от температуры. При Т1 плотность анилина меньше плотности воды, а при Т2 больше. Если влить холодный анилин в воду, то он опустится на дно. После нагревания плотность анилина уменьшается и он всплывает. У поверхности вследствие охлаждения плотность анилина станет больше плотности воды, и капля вновь опустится на дно. Затем весь цикл повторится.

При каждом цикле совершается положительная работа по преодолению трения при движении капли в воде. Если каплю внизу «нагружать», а вверху «разгружать», то такая тепловая машина может быть использована для подъема груза.

Если покрыть стакан стеклянной пластинкой, то температура верхних слоев воды увеличится и машина перестанет работать.

В нашей простейшей машине происходят процессы, общие для всех тепловых двигателей. Машина получает от нагревателя (горелки) количество теплоты Q1 и передает холодильнику (в данном случае атмосфере) количество теплоты Q2. За счет того, что Q1 > Q2, и совершается работа.

Принципы действия тепловых двигателей

Чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ (см. § 3.11), который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру T1 называют температурой нагревателя.

Роль холодильника

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т2. Эта температура не может быть ниже температуры окружающей среды, так как в противном случае давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сможет работать. Обычно температура Т2 несколько больше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. Холодильником являются атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть несколько ниже температуры атмосферы.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть энергии неизбежно передается атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии безвозвратно теряется. Именно об этом и говорит второй закон термодинамики в формулировке Кельвина.

Направление потоков энергии

Изучая процессы передачи энергии между телами, можно заметить, что энергия всегда передается от тела, обладающего большей энергией, к телу, у которого энергии меньше. Нагретое тело при контакте нагревает холодное, само при этом остывая. В пределах одного тела энергия также распространяется из областей с более высокой температурой в области с более низкой.

Рис. 1. Виды теплопередачи.

При этом Первый Закон термодинамики вовсе не запрещает и обратные процессы. Холодное тело, температура которого выше абсолютного нуля, обладает некоторой внутренней энергией, а значит, эту энергию можно передать телу с более высокой температурой, нарушения Первого Закона не произойдет.

Однако опыт говорит о том, что таких процессов в Природе не бывает. Следовательно, существует закон, определяющий направление передачи энергии. Этот закон получил название Второго Закона (начала) термодинамики.

Примеры решения задач

где — количество теплоты, которое рабочее тело получает от нагревателя в представленном цикле. В адиабатных процессах подвода и отвода тепла нет, получается, что тепло подводится только в процессе 1-2. — количество теплоты, которое отводится от газа в процессе 3-4.

Используя первое начало термодинамики, найдем количество тепла, полученное газом в процессе 1-2, который является изохорным:

так как изменения объема в данном процессе нет. Изменение внутренней энергии газа определим как:

По аналогии для изохорного процесса, в котором теплота отводится, имеем:

Подставим полученный результат (2.2 – 2.5) в выражение (2.1):

Используем уравнение адиабаты для нахождения разностей температур, и рассматривая рис.1. Для процесса 2-3 запишем:

Аналогично описываем процесс 4-1:

Используя выражения (2.7) и (2.8) найдем разность

Из формулы (2.9) получим, что:

где – показатель адиабаты. Используя выражения (2.10) и (2.6), получаем, что КПД заданного процесса равно:

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector