Гази у зовнішньому силовому полі та основи термодинаміки
Методическое пособие - Физика
Другие методички по предмету Физика
? для якої було б охолодження води в океані. Обчислення показують, що коли охолодити воду в світовому океані на 0,1о, то можна одержати енергію, яка рухала б усі машини, що є на Землі, біля двох тисяч років. Така машина була б рівнозначною вічному двигуну, який називають вічним двигуном другого роду. Напрям протікання процесів, які відбуваються в природі і повязані з перетворенням енергії, визначає 2 закон термодинаміки. Його формулювання:
- У природі неможливий процес, єдиним результатом якого був би перехід теплоти повністю в роботу /М. Планк/.
- Теплота не може сама собою переходити від тіла з нижчою температурою до тіла з вищою температурою /К. Клаузіус/.
- Неможливо побудувати вічний двигун другого роду, тобто двигун, який працював за рахунок охолодження якого-небудь одного тіла.
Наведені формулювання другого закону термодинаміки - це одержані в результаті дослідів аксіоми. Строге математичне формулювання цього закону можна подати за допомогою нової функції стану-ентропії:
З другого закону термодинаміки слідує, що дві форми передачі енергії і робота і теплота нерівноцінні.
Максимальний ККД теплової машини
Всі теплові двигуни незалежно від їх конструкції рішають одну і ту ж задачу - перетворення 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 в рух будь-який механізм. Принципова схема теплового двигуна наведена на рис. 1а Тепловий двигун складається з 3 основних часин: робочого тіла, Р нагрівника, холодильника.
Рис. 1
Робоче тіло / газ або пара / під час розширення з стану А в стан В /рис. 1б / виконує роботу, одержавши від нагрівника кількість теплоти Q. Робота чисельно дорівнює 1А В2. За рахунок згорання палива температура нагрівника Т стала. В процесі стискання робоче тіло передає деяку кількість теплоти Q холодильнику, який має температуру . При цьому газ переходить з стану В у стан А і зовнішні сили виконують роботу А2, яка чисельно дорівнює площі 1 А б В 2. Таким чином, тепловий двигун повинен працювати по коловому процесу, або циклічно.
К о л о в и м процесом, або циклом називають такий процес, в результаті якого термодинамічна система повертається в початковий стан через інші проміжні стани. При цьому внутрішня енергія набуває початкового значення. Робота циклу і чисельно дорівнює площі замкненого циклу. Видно, що і . Такий цикл називають прямим. Якщо цикл здійснюється проти годинникової стрілки, то робота була б відємною . Такий цикл називають з в о р о т н и м /цикл холодильної машини/.
За прямим циклом працюють теплові машини. Оскільки після виконання циклу DU = 0, то робота циклу виконується за рахунок одержаної і переданої теплоти, тобто .
Коефіцієнтом корисної дії /ККД/ двигуна i називають відношення корисної роботи до енергії, яку робоче тіло одержує від нагрівача:
.
Дослідами було встановлено, що найбільший ККД мають двигуни, що працюють за циклом Карно, в яких немає жодних витрат на теплопровідність, тертя, випромінювання, тощо. Робочою речовиною є ідеальний газ. Цикл Карно складається з двох ізотерм і двох діабат /рис. 2/.
Рис. 2
На ділянці 1-2 /ізотерма/ ідеальний газ за рахунок одержаної теплоти Q від нагрівальника виконує роботу, ізотермічно розширюючись. При цьому DU = 0, бо T = const. На ділянці 2-3 /адібата/ газ виконує роботу за рахунок зменшення внутрішньої енергії, бо газ не одержує теплоти. У процесі ізотермічного стискання /ділянка 3-4/ внутрішня енергія не змінюється, холодильнику передається теплота.
У процесі адіабатичного стискання /ділянка 4-1/ робота витрачається на підвищення внутрішньої енергії. Таким чином, газ повертається в свій початковий стан, до початкового значення внутрішньої енергії. Після виконання циклу в роботу перетворено / Q1 -Q2 / теплоти, якщо Q1 і Q2 виразити через роботу в ізотермічному процесі, то одержимо ККД цього циклу:
, де Т1 - температура нагрівника, Т2-температура холодильника.
Отже, ККД двигуна, що працює за циклом Карно визначається тільки абсолютними температурами нагрівника і холодильника, і не залежить від роду робочої речовини. З цього рівняння випливають такі висновки:
- Для підвищення ККД теплової машини треба збільшувати температуру нагрівальника і зменшувати температуру холодильника.
- ККД ідеальної теплової машини має максимальне значення, яке менше від 1, а для реальної ККД - завжди менший ККД циклу Карно.
Поняття про ентропію
Відомо, що внутрішня енергія тіла або системи складається з енергії всіх видів внутрішнього руху в тілі і енергії взаємодії усіх частинок цього тіла або системи. При цьому внутрішня енергія U є однозначною функцією стану тіла або системи. З другого закону термодинаміки випливає, що існує і друга величина, що характеризує однозначно стан термодинамічної системи - це ентропія S.
Щоб пояснити зміст поняття ентропії, розглянемо ізотермічний процес, в якому тіло одержує теплоту Q від нагрівника з температурою Т. Тоді відношення теплоти Q, одержаної в ізотермічному процесі, до температури Т, при якій здійснюється теплопередача, називають приведеною теплотою Q і .
При нагріванні , то при охолодженні . Якщо процес неізотермічний, то його розбивають на такі нескінченно малі ділянки, на яких , і тоді на цій малій ділянці
.
Для довільного проце