Avtoargon.ru

АвтоАргон
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Второе начало термодинамики

Второе начало термодинамики. Принцип работы тепловой машины. Цикл Карно. КПД теплового двигателя

Второе начало термодинамики (ВНТ)

Выражая всеобщий закон сохранения и превращения энергии, первое начало термодинамики (ПНТ) не позволяет определить направление протекания процессов

ВНТ справедливо только по отношению к термодинамическим системам. Существует несколько эквивалентных формулировок ВНТ:

1. Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от холодного тела к горячему (формулировка Клаузиуса).

2. Невозможен процесс, единственным результатом которого является совершение работы за счет охлаждения одного тела (формулировка Томсон).

3. Энтропия изолированной системы не может убывать при любых происходящих в ней процессах, т.е. dS³0, где знак равенства относится к обратимым процессам, а знак больше – к необратимым процессам.(Формулировка Клаузиуса)

Формула Больцмана (31) S=klnW позволяет дать статистическое истолкование третьей формулировки ВНТ: Термодинамическая вероятность W состояния изолированной системы при всех происходящих в ней процессах не может убывать.

Оно выражает необходимые закономерности хаотического движения большого числа частиц, входящих в состав изолированной системы.

Цикл Карно изображен, где изотермическое расширение и сжатие заданы соответственно кривыми 1-2 и 3-4, адиабатическое расширение и сжатие – кривыми 2-3 и 4-1.

Согласно (23) КПД цикла Карно h=А/Q=( Q1-Q2)/ Q1= 1- Q2/Q1, где Q1— количество теплоты, полученное газом от нагревателя, температура которого Т1, Q2 количетво теплоты, отданное газом холодильнику, температура которого Т2. Карно показал, что для такого цикла h=(Q1-Q2)/Q1=(Т12)/Т1=1-Т21, (24) т.е. КПД определяется только температурами нагревателя и холодильника. Карно предположил, что этот результат справедлив для любых термодинамических систем.

Принцип работы тепловой машины.

Тепловой машиной называется циклическое устройство, превращающее теплоту, выделенную при сжигании топлива, в работу.

Элементы тепловой машины:

На примере цилиндра автомобиля — происходит нагревание воздуха, повышение температуры воздуха, это вызывает поступательное движение поршня. Движущийся поршень приводит во вращение коленчатый вал, а далее через систему зубчатых передач вращательное движение передаётся колёсам.

КПД-Это работы машины к затраченной энергии.

=A/Q, =Q1-Q2/Q1

Рабочее вещество идеальной тепловой машины совершает цикл Карно.

Вывод фор-ы Карно: S(12) = =1/Tн * Qн

Qн= S(12)*Tн

-Qх= S(34)*Tх

S(34)=-S(12)Qх= Tх* S(12) ; =
14. Энтропия. Статистический смысл второго закона термодинамики.

Адиабатный процесс. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды. КПД тепловых двигателей. Необратимость тепловых процессов.

В адиабатном процессе Q = 0; поэтому первый закон термодинамики принимает вид

Изменение внутренней энергии газа происходит за счет работы внешних сил.

При адиабатном расширении газ совершает работу за счет уменьшения своей внутренней энергии, поэтому температура газа при адиабатном расширении понижается.

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу.

Некоторые виды тепловых двигателей:

двигатель внутреннего сгорания;

Физические основы работы всех тепловых двигателей одинаковы. Тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела, холодильник

Энергетическая схема тепловой машины

Q1теплота, полученная рабочим телом

Q2 теплота, переданная

рабочим телом холодильнику

А – полезная работа

В теоретической модели теплового двигателя рассматриваются три тела: нагреватель, рабочее тело и холодильник.

Нагреватель – тепловой резервуар (большое тело), температура которого постоянна.

В каждом цикле работы двигателя рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя, расширяется и совершает механическую работу. Передача части энергии, полученной от нагревателя, холодильнику необходима для возвращения рабочего тела в исходное состояние.

Читать еще:  Что такое асинхронный режим синхронного двигателя

Так как в модели предполагается, что температура нагревателя и холодильника не меняется в ходе работы теплового двигателя, то при завершении цикла: нагревание-расширение-остывание-сжатие рабочего тела считается, что машина возвращается в исходное состояние.

Для каждого цикла на основании первого закона термодинамики можно записать, что количество теплоты Qнагр, полученное от нагревателя, количество теплоты |Qхол|, отданное холодильнику, и совершенная рабочим телом работа А связаны между собой соотношением:

В реальных технических устройствах, которые называются тепловыми машинами, рабочее тело нагревается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Так, в паровой турбине электростанции нагревателем является топка с горячим углем. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) продукты сгорания можно считать нагревателем, а избыток воздуха – рабочим телом. В качестве холодильника в них используется воздух атмосферы или вода природных источников.

КПД теплового двигателя

Коэффициентом полезного действия η тепловой машины называется отношение работы A к количеству теплоты Q1, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя:

Коэффициент полезного действия η указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от нагревателя, превратилась в полезную работу.

Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику.

Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η

Тепловые двигатели

Вы будете перенаправлены на Автор24

Человеческий прогресс связывают с развитием энергетики. Открытие и умение применять новые источники энергии, составляет целую эпоху в историческом развитии материальной культуры.

  1. Первый тепловой двигатель – паровая машина дал огромный толчок развитию промышленности XIX века.
  2. Разработка и конструирование двигателя внутреннего сгорания стало основой для автомобилестроения и самолетостроения.
  3. Создание газовых турбин стало поворотным пунктом в самолетостроении.
  4. Изготовление реактивных двигателей позволило человечеству отправиться в космос.
  5. Большая часть электрической энергии в настоящее время, получается от тепловых электростанций. На атомных электрических станциях энергия ядерных реакций первоначально преобразуется в тепловую энергию пара.

Задача и принципы работы теплового двигателя

Любой тепловой двигатель создается для решения одной задачи: трансформации внутренней энергии в механическую.

  1. Тепловая энергия сгорания топлива или энергия ядерных реакций при теплообмене передается некоторому газу.
  2. Газ расширяется, выполняет работу против внешних сил, при этом привод в действие некоторый механизм.
  3. Поскольку тепловой двигатель обладает конечными размерами, газ в нем расширяться до бесконечности не может. Следовательно, за процессом расширения следует процесс сжатия. При этом сам газ и все детали машины должны прийти в начальное состояние.
  4. Далее возможно расширение повторно.

Так, сделаем вывод о цикличной работе теплового двигателя. За цикл происходит расширение газа и его сжатие до начального состояния.

Тепловые двигатели в реальной действительности работают по разомкнутому циклу. Это цикл, в котором газ после расширения удаляется, сжатие происходит новой порции газа. На описание термодинамики процесса, однако, данная схема работы влияет не принципиально. Поэтому в теории описания работы тепловых двигателей говорят о замкнутых циклах работы машины, когда расширяется и сжимается одна порция газа.

Готовые работы на аналогичную тему

Для совершения двигателем полезной работы необходимо, что работа расширения газа была больше работы его сжатия. Тогда внешние тела, которые окружают двигатель, получают больше механической работы, чем отдают при сжатии газа. Для выполнения данного условия температура газа при расширении должна быть больше, его температуры при сжатии.

Читать еще:  Шаговый двигатель от видеомагнитофона как генератор

Пусть начальное и конечное состояния газа в процессах расширения и сжатия совпадают. Работа расширения будет больше работы сжатия, если все промежуточные состояния сжатия происходят при меньшем давлении, чем при расширении. Это будет возможно только, если температура для всех промежуточных состояний газа при сжатии ниже, чем при расширении.

Рассмотрим кривые процессов расширения и сжатия на рис.1. Работа расширения газа количественно равна площади криволинейной трапеции, которую вверху ограничивает кривая зависимости давления от объема, отражающая процесс расширения ($p_1(V)$).

Работа сжатия равна площади трапеции, которая вверху ограничена кривой $p_2(V)$ (кривая сжатия).

Полезная работа – это заштрихованная площадь рис.1. Она ограничена графиком цикла, то есть кривыми $p_1(V)$ и $p_2(V)$.

Рисунок 1. Полезная работа. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Устройство теплового двигателя

Тепловой двигатель имеет три основные части:

  • рабочее тело;
  • нагреватель;
  • холодильник.

В качестве рабочего тела используют газ или пар. Расширяясь, это вещество выполняет работу.

Газ получает теплоту в количестве $Q_1$ от нагревателя.

Нагреватель – это тело, температура которого стабильно высока ($T_1$) за счет сгорания топлива или ядерных реакций.

В процессе сжатия рабочее тело отдает теплоту ($Q_2$) холодильнику. Температуру холодильника поддерживают постоянной и ниже $T_1$. Давление газа при сжатии ниже, чем давление при расширении.

Роль холодильника может играть окружающая среда. Так происходит в двигателях внутреннего сгорания или реактивных двигателях.

Энергетический баланс теплового двигателя

Первое начало термодинамики можно использовать для определения баланса энергии в цикле теплового двигателя.

Так как в цикле рабочее тело приводится в начальное состояние, то изменение внутренней энергии газа равно нулю:

В таком случае, получаем:

где $Q_p$ — энергия, которая теряется в цикле при теплообмене с окружающей средой.

Полезная работа в цикле:

В выражении (3) равенство будет выполняться для идеальной тепловой машины, в которой отсутствуют потери энергии.

Эффективность работы теплового двигателя оценивают при помощи коэффициента полезного действия:

Даже идеальная тепловая машина не может иметь КПД равный единице.

Второе начало термодинамики

Проведя анализ принципов работы тепловых двигателей, Томсон и Планк сделали вывод, который формулируют так:

Нет возможности создать циклический процесс, в котором единственным результатом было бы охлаждение нагревательного элемента и переход полученного тепла в работу в полном объеме.

Запрет Томсона – Планка можно считать следствием второго начала термодинамики. Так как трансформация внутренней энергии в механическую – это процедура перехода системы из состояния с хаотическим перемещением молекул в состояния упорядочивания их движения. В таком процесс энтропия системы убывает, что входит в противоречие со вторым началом термодинамики. Значит, трансформация внутренней энергии в механическую не может стать единственным процессом. Совместно с этим процессом идет компенсирующий процесс, увеличивающий энтропию при переходе внутренней энергии в механическую.

Принцип запрета Томсона – Планка можно считать одной из формулировок второго начала термодинамики.

Часто первое и второе начала термодинамик формулируют как принцип невозможности вечного двигателя.

При этом второе начало читается так:

Невозможно создать вечный двигатель второго рода. Это означает, что нельзя сконструировать машину, которая выполняла бы периодическую работу, исключительно охлаждая источник тепла.

Читать еще:  Автоматический запуск двигателя по таймеру шерхан 5

В противном случае можно было бы использовать Земной шар (или океан), как неисчерпаемый источник внутренней энергии.

Домашнее задание по физике на тему «Принципы работы тепловых двигателей»

Домашнее задание по физике

Пояснительная записка

Тема домашнего задания: Принципы работы тепловых двигателей.

Цели задания: повторение пройденного материала, развитие самостоятельности.

Степень сложности: средний

Тип задания: индивидуальное

Рекомендуемое количество времени на выполнение: 1 час.

Инструкция к выполнению: Пройти тестирование по теме Принципы работы тепловых двигателей. Тест содержит десять тестовых заданий в формате ЕГЭ (часть А). За каждый правильный ответ выставляется по 1 баллу. 6-7 баллов «тройка», 7-8 «хорошо», 9-10 «отлично».

Способ проверки: задания размещаюся в сети интернет с использованием сервисов для проведения тестирования, проверка производится автоматически с сохранением результата, итоги подводятся в классе на следующем занятии.

Тестовые задания

1. При повышении КПД теплового двигателя стремятся его приблизить к

2) к КПД идеального цикла Карно 4) 50 %

2. Тепловая машина с КПД 40 % за цикл работы получает от нагревателя количество теплоты, равное 500 Дж. Какую работу машина совершает за цикл?

1) 300 Дж 3) 200 Дж

2) 180 Дж 4) 75 Дж

3. Температура холодильника идеальной тепловой машины Карно равна 294 К. Какой должна быть температура ее нагревателя, чтобы КПД машины был равен 40 %?

1) 1200 К 2) 800 К 3) 600 К 4) 490 К

4. Тепловая машина за цикл получает от нагревателя количество теплоты 25 Дж и совершает работу 100 Дж. Чему равен КПД тепловой машины?

2) 20 % 4) Такая машина невозможна

5. Температура нагревателя идеальной тепловой машины 500 К, а температура холодильника 300 К. Двигатель получил от нагревателя количество теплоты 40 кДж. Какую работу совершило рабочее тело?

1) 16,7 кДж 3) 16 кДж

2) 3 кДж 4) 97 кДж

6. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи энергии холодильнику в ходе ее работы составляет 3 кВт. Какое количество теплоты получает рабочее тело машины от нагревателя за 10 с?

1) 0,4 Дж 3) 400 Дж

2) 40 Дж 4) 40 кДж

7. Температуру холодильника тепловой машины, работающей по циклу Карно, увеличили, оставив температуру нагревателя прежней. Количество теплоты, полученное газом от нагревателя за цикл, не изменилось. Как изменилась при этом работа газа за цикл?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

3) не изменилась

8. За цикл, показанный на рисунке, газ получает от нагревателя количество теплоты Q=5,1 кДж. КПД цикла равен 4/17. Масса газа постоянна. На участке 1-2 газ совершает работу

1
) 1,2 Дж 3) 2,6 Дж

2) 1,8 кДж 4) 3,9 кДж

9. Тепловая машина с КПД 40% за цикл работы продолжительностью 10 с получает от нагревателя 200 Дж. Какова средняя мощность, с которой теплота передается холодильнику?

10. Идеальная тепловая машина Карно за цикл своей работы получает от нагревателя 10 кДж теплоты. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику за цикл составляет 140 Вт, продолжительность цикла 30 с. Каков КПД тепловой машины?

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector