Фізика

Тема. Робота термодинамічного процесу

КОНСПЕКТ

1. Ізобарний процес; р = const, А = pΔV.

Якщо газ стискався, то ΔV < 0 — робота газу негативна; якщо розширювався, то ΔV >0 — робота позитивна.

Робота зовнішніх сил матиме протилежний знак:

Робота чисельно дорівнює площі під кривою, яка описує процес на (p,V) діаграмі. Величина роботи залежить від того, яким шляхом виконувався перехід з початкового стану в кінцевий.

2. Самостійна робота з графіками ізопроцесів

Побудувати графіки ізотермічного та ізохорного процесів у координатах (p,V) та вказати, чому дорівнює робота для кожного випадку.

Висновки: ізотермічний процес (Т = const): робота дорівнює площі фігури, обмеженої ізотермою та двома ізохорами.

Ізохорний процес (V = const): А = 0.

Адіабатний процес:  теплообмін з оточуючим середовищем не здійснюється (∆Q = 0). Під час адіабатного стискування тіла внутрішня енергія його збільшується, а при адіабатичному розширенні — зменшується. Виконана робота при цьому дорівнює за величиною і протилежна за знаком зміні внутрішньої енергії системи.

3. Робота з підручником

Працюючи над текстом підручника, учні повинні дати відповідь на запитання:

1). Який процес називають адіабатним?

2). Чому адіабатні процеси повинні відбуватися швидко?

3). Як утворюються хмари?

III. Закріплення вивченого матеріалу

Домашнє завдання. Задача.

1. У процесі ізобарного розширення газу була здійснена робота, що дорівнює 400 Дж. За якого тиску відбувався процес, якщо об’єм газу змінився з 0,3 м³ до 600 л?

Тема. Перший закон термодинаміки

Змінити внутрішнє енергію тіла можливо двома способами:

Це рівняння виражає закон збереження і перетворення енергії для теплових процесів, він дістав назву першого закону (начала) термодинаміки, який також називають законом збереження енергії:

Зміна внутрішньої енергії термодинамічної системи дорівнює сумі роботи зовнішніх сил і наданої системи кількості теплоти.

Але можна розглядати і роботу А, виконану системою над зовнішніми тілами; тоді її записують із знаком «-» і рівняння набуває вигляду:

Друге формулювання першого закону термодинаміки: кількість теплоти, підведена до системи, частково йде на збільшення її внутрішньої енергії і частково на виконання системою роботи над зовнішніми тілами.

Третє формулювання: вічний двигун першого роду неможливий.

Розв’язування задач

1. На скільки змінилася внутрішня енергія газу, що здійснив роботу 50 кДж, діставши кількість теплоти 85 кДж?
2. 2. Одноатомному газові (v = 2 молі) передана кількість теплоти 1,2 кДж. При цьому газ здійснив роботу 600 Дж. На скільки змінилася температура газу?
3. Домашнє завдання

• 53-55 вчити. Письмово впр. 28 задача 1.

Тема. Необоротність теплових процесів. Принцип дії теплових двигунів

КОНСПЕКТ

1. Термодинамічні процеси бувають оборотними та необоротними. Оборотній – це такий процес, який можна провести в зворотному напрямку через ту ж саму сукупність станів системи, що і в прямому. Практично всі реальні макроскопічні процеси в природі супроводжуються тертям і теплопровідністю, тому вони необоротні.
2. Узагальненням великої кількості дослідних факторів є другий закон термодинаміки. Він не має теоретичного вивчення і тому приймається як постулат.

Клаузіус (1822-1888) у 1850 р. дав   наступне формулювання основного постулату. Він висунув таке положення: “Теплота не може самостійно переходити від тіла менш нагрітого до тіла більш нагрітого” (закон зростання ентропії). Суть цього формулювання полягає в тому, що неможливо жодним способом забрати теплоту від тіла менш нагрітого та цілком передати її тілу більш нагрітому і зробити це так, щоб у природі більше не відбулося ніяких змін. Усі природні процеси супроводжуються ростом ентропії – міри невпорядвоканості матерії.

3. За рахунок внутрішньої енергії газу може бути виконана робота. Ще в XVIII ст. було створено перші теплові двигуни. Тепловими двигунами називаються пристрої, в яких відбувається перетворення теплоти в роботу. Робоче тіло у будь-якому тепловому двигуні послідовно вступає в тепловий контакт з гарячими тілами (нагрівники), отримуючи від них деяку кількість теплоти Q1, і з холодними тілами (холодильники), віддаючи їм кількість теплоти Q2 > Q1, і періодично повертається до первісного стану. Такі процеси називають циклічними або коловими.

Принцип дії теплової машини зображено на рисунку:

А — корисна робота;

Q1 — кількість теплоти, отримана від нагрівника;

Q2 — кількість теплоти, віддана холодильнику;

Т1 — температура нагрівника;

Т2 — температура холодильника.

Термодинаміка стверджує, що неможливо всю теплоту Q1, отриману в коловому процесі від нагрівників, перетворити в роботу. Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна називають відношення:

Цикл Карно являє собою ідеалізований коловий процес, в якому робоче тіло періодично вступає в тепловий контакт тільки з одним нагрівником (Т1) і одним холодильником (Т2). Цикл Карно складається з двох ізотерм і двох адіабат. Французький інженер Карно довів, що ККД такого ідеального теплового двигуна максимальний при даних значеннях Т1 і Т2 і дорівнює:

4. Розв’язуємо задачу. 1. Під час згоряння палива в тепловому двигуні виділилася кількість теплоти 200 кДж, а холодильникові передана кількість теплоти 120 кДж. Який ККД теплового двигуна? (40 %)

5. Самостійна задача. 2. Який максимально можливий ККД двигуна, у якого температура нагрівника 2000 К, а температура холодильника 100 °С? (87 %)

6. Домашнє завдання. Вчити конспект. Задача. Температура нагрівника ідеальної теплової машини дорівнює 477 °С. Якою повинна бути температура холодильника, щоб ККД машини дорівнював 80 %?