Теплові двигуни

Поняття про роботу двигунів внутрішнього згорання

Двигун внутрішнього згорання та його 4 такти

Домашнє завдання:

1. Опрацювати та вивчити параграф 77 з підручника "ФІЗИКА 10 клас"

2. Опрацювати та вивчити параграф 11,12 з підручника "ФІЗИКА 10 клас" Мякішев, Синяков

Холодильна машина

Поняття про принцип дії 
холодильної машини

Цикл Карно

Якщо машину, яка працює за циклом Карно, змусити за допомогою іншої машини або мотора виконувати обернений цикл у напрямі 1-4-3-2-1, то в такому разі зовнішні сили виконуватимуть роботу над системою, у результаті чого система перетворюватиме частину цієї  роботи в теплоту.

Друге начало термодинаміки

Друге начало термодинаміки  та теплова смерть Всесвіту

Відомий англійський письменник Чарльз Сноу вважав, що критерієм інтелігентності сучасної людини з гуманітарною освітою служить ступінь обізнаності з другим законом термодинаміки.

Другий закон термодинаміки, як і перший, є узагальненням  багатовікового досвіду людей. Існує близько тринадцяти (!!!) рівноцінних формулювань даного закону.

1. Неможливим є коловий процес, єдиним наслідком якого було б перетворення кількості теплоти, одержаної від нагрівника, в еквівалентну їй  роботу (Томсон-Кельвін).

2. Неможливим є коловий процес, єдиним результатом якого було б передавання енергії у формі теплоти від холодного тіла до гарячого (Клаузіус).

3. Вічний двигун другого роду неможливий (Освальд).

4. Теорема Карно:

Термічний ККД оборотнього циклу Карно не залежить від властивостей робочого тіла і виражається формулою

η_к = (T_н – Т_х)/Т_н

Термічний ККД необоротного циклу Карно завжди менший термічного ККД оборотнього циклу Карно, який здійснюється між тими ж температурами T_н  та Т_х:

η_{к необор} < η_{к  обор} 

Термічний ККД довільного оборотнього циклу не перевищує термічного ККД оборотнього циклу Карно: 

 η_обор ≤ η_{к  обор} = (T_н – Т_х)/Т_н

5. У замкненій (ізольованій) системі ентропія зростає або є сталою: 

ΔS ≥ 0, 
TdS ≥ dU + pdV

Цикл Карно

Тепловий двигун
 Ідеальна теплова машина 

Блок-схема теплового двигуна

Тепловий двигун – це пристрій, який перетворює внутрішню енергію палива в механічну. 

Енергія, яка виділяється під час згорання палива, через теплообмін передається газу. Газ, розширяючись, виконує роботу проти зовнішніх сил і приводить у рух механізм.

Для того щоб двигун працював циклічно, газ стискається, віддаючи теплоту холодильнику (навколишньому середовищу). Робоче тіло двигуна дістає кількість теплоти ΔQн   від нагрівника, виконує роботу А над зовнішніми тілами і передає кількість теплоти ΔQх   холодильнику. Оскільки система після закінчення циклу повертається до початкового стану, зміна внутрішньої енергії дорівнює нулю (ΔU = 0) і за першим законом термодинаміки 

ΔА = ΔQн–ΔQх, 

де ΔА - механічна робота, яку виконує газ, ΔQн  - кількість теплоти, одержаної від нагрівника,  ΔQх -  кількість теплоти, переданої холодильнику.

Величина η:

 η = (ΔQн–ΔQх)/ΔQн = ΔА/ΔQн

називається коефіцієнтом корисної дії (ККД) теплової машини.

Цикл Карно

Французький інженер С. Карно з’ясував умови роботи ідеальної теплової машини. З усіх теплових машин, які працюють з нагрівником, що має температуру Тн, і холодильником, що має температуру Тх , найбільший коефіцієнт корисної дії має теплова машина, що працює за циклом Карно, який складається з двох ізотерм і двох адіабат. 

«Демон Максвелла»

Начала термодинаміки
 чи хто такий «демон Максвелла»?

        

Одним із розділів молекулярної фізики є «Термодинаміка». В основі цього розділу лежать три закони-начала.

Нульове начало термодинаміки

Будь-яка система прямує до стану теплової рівноваги. Система самовільно з цього стану вийти не може.

Перше начало термодинаміки 

(одне з 5-ти формулювань)

Кількість теплоти, яка надається системі, витрачається на зміну внутрішньої енергії системи та на виконання системою роботи проти зовнішніх сил:

ΔQ = ΔU + ΔA'

Перше начало є, за своєю сутністю, законом збереження енергії, застосованим до теплових процесів. Одним із наслідків цього закону є неможливість створення вічного двигуна першого роду.

Відомий вчений, Рудольф Клаузіус, вивчаючи теплові процеси, показав, що тепло найімовірніше безпосередньо може переходити лише від гарячих тіл до холодних (хоча перехід "навпаки" не заборонений законом збереження енергії). 

Це твердження носить назву 

другого начала термодинаміки. 

ДКР № 2.2

Домашня Контрольна Робота №2 (ІІ семестр) 

Молекулярна фізика + термодинаміка

Задачі розв'язати та оформити на скріплених подвійних листочках 

та здати до першого уроку в середу 5.02.2020 р.

5.1.7; 5.2.1; 5.6.5; 5.6.7; 5.6.12 а,б); 5.6.13; 
5.6.15; 5.6.16; 5.6.20; 5.6.24; 5.6.25; 5.6.27.

Бажаю успіху!

ДЗ №3.2

Молекулярна фізика

Домашнє завдання №3(ІІ семестр)

Завдання виконати на скріплених подвійних листочках і здати в п'ятницю  31.01.2020 р.

602. Об’єм деякої маси газу збільшується удвічі. В якому випадку газ виконує більшу роботу – при ізобарному нагріванні чи при ізотермічному розширенні?

603. Газ, молярна маса якого М = 0,040 кг/моль, ізобарно нагрівають на DТ = 100 К. При цьому газ виконує роботу А = 8,31 Дж. Обчисліть масу газу (у грамах). (R = 8,31 Дж/(моль · К)).

608. На скільки зміниться (у Дж) внутрішня енергія 5 кг ртуті внаслідок охолодження від 288 К до 228 К? Питома теплоємність ртуті 140 Дж/(кг · К).

609. Газ, що перебуває під тиском Р = 10⁵ Па, ізобарно розширився, виконавши роботу А = 25 Дж. Який початковий об'єм газу (у літрах), якщо після розширення він став 22,4 л?

614. Газ, розширюючись ізобарно при тиску 2 · 10⁵ Па, виконує роботу 200 Дж. Визначити початковий об'єм газу (у м³), якщо кінцевий об'єм становить 2,5×10^-3 м³.

Швидкість звукової хвилі

Адіабатична звукова хвиля 

***

Припустимо, що внаслідок короткочасної дії  на стержень (наприклад, удар молотка) в ньому виникає хвильовий імпульс, який поширюється по всій довжині стержня. Сила, яка подіяла на стержень, за час dt змістила частинки масою
  

dm = Sv∙dρ∙dt,  

та надала їй імпульс  

v∙dm = Sv²∙dρ∙dt.

Значення сили, яка здійснила ці зміни знайдемо з другого закону Ньютона:

F = v∙dm/dt = Sv²∙dρ

З іншого боку значення цієї ж сили знайдемо через зміну тиску dp:

F = S∙dp

Прирівнявши ліві сторони обох рівнянь та скорочуючи площу поперечного перерізу стержня отримуємо загальну формулу для визначення швидкості поширення звукової хвилі через  невеликі зміни густини та тиску:

 v = (dp/dρ)^1/2

Скористаємось цією формулою, та визначимо швидкість поширення акустичної звукової хвилі у газах.

Перше начало термодинаміки

Перше начало термодинаміки  в таблиці

Характеристики термодинамічних процесів в газах

***

 ***

Назва термодинамічного процесу

	Ізохоричний  процес	Ізобаричний процес	Ізотермічний процес	Адіабатичний процес
Умова  протікання процесу	V = const	P = const	T = const	ΔQ = 0
Зв'язок  між параметрами стану	p/T = const	V/T = const	pV = const	pVγ = const    pTγ/(1-γ) = const    VT1/(1-γ) = const
Робота в даному термодинамічному процесі	ΔA = 0	ΔA = pΔV A=p(V2 – V1)	ΔA = νRT∙ln(V2/V1)	ΔA = -ΔU  A = cv∙(T1 – T2)  A = νRT1/(γ-1)∙ [1-(V1/V2)(γ-1)]
Кількість теплоти, отримана в ході процесу	ΔQ = cv∙ΔT  ΔQ = cv(T2 – T1)	ΔQ = cp∙ΔT  ΔQ = cp(T2 – T1)	ΔQ = ΔA	ΔQ = 0
Зміна  внутрішньої енергії	ΔU = ΔQ	ΔU= cv∙ΔT	ΔU= 0	ΔU = - ΔA = =cv∙ΔT
Теплоємність	Cv = νR/(γ-1)	Cp= νγR/(γ-1)	CT = +/-∞	Cад = 0

Адіабатичний процес

Адіабатичний термодинамічний процес 

Адіабатична хмарка за літаком

1. Рівняння адіабати

Процес, який відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем і в якому змінюються всі термодинамічні параметри системи – тиск, об’єм, температура – називають адіабатичним.

Оскільки ΔQ = 0, то перше начало термодинаміки для адіабатичного процесу виглядає так:

ΔU + ΔА = 0

де  ΔА = pΔV, ΔU = c_v∙ΔT, c_v – молярна теплоємність ідеального газу при постійному об’ємі значення якої шукаємо за формулою через кількість ступенів вільності c_v = (і/2)∙R.

c_v∙ΔT + pΔV = 0

Останнє рівняння називають рівнянням адіабати в диференціальній формі.