Скачать + смотреть онлайн

видео 2022

бесплатно в хорошем качестве HD

Строго запрещено смотреть анал видео. Крутые - все самые шикарные мамки видео. Мега лучший пердос video.

PhysBook
PhysBook
Представиться системе

SA. II начало термодинамики

Материал из PhysBook

Тепловые двигатели

Вы уже знаете, что механическая энергия может переходить во внутреннюю. А возможен ли обратный процесс? Оказывается, возможен, например, в тепловых машинах (двигателях).

Тепловым двигателем называется устройство, совершающее механическую работу за счет внутренней энергии системы.

Основным источником энергии, используемой различными машинами, являются различные виды химического горючего. Из всей энергии, потребляемой человечеством в год, около 90% получается за счет сжигания угля, нефти и газа.

Тепловые двигатели весьма разнообразны как по конструкции, так и по назначению. Это и паровые турбины на тепловых электростанциях, и двигатели внутреннего сгорания на автомобилях, тракторах, и реактивные двигатели различных типов.

Чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Эта разность давлений достигается за счет повышения температуры на сотни градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива. Нагревают при этом газ, который и совершает работу при расширении.

  • Газ, совершающий работу при расширении, называется рабочим телом.

Например, в паровых машинах и турбинах нагревают пар. В двигателях внутреннего сгорания повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя.

*Упрощенная модель тепловой машины

Рассмотрим упрощенную модель тепловой машины (лифта), состоящую из цилиндра, заполненного газом, поршня и груза массой m, который нужно поднять вверх. Чтобы газ не сжался, установим специальные упоры внутри цилиндра (рис. 1). Давление газа p1 (атмосферное), объем V1 и температура T1.

Чтобы повысить давление под поршнем, начнем нагревать газ (рис. 2). По мере повышения температуры в цилиндре давление газа возрастает, но объем остается неизменным до тех пор, пока давление снаружи p2 (давление поршня с грузом и атмосферное давление p1) больше давления внутри. И при некотором значении температуры Т2 давления сравняются (давление газа станет равным p2). Этому процессу на графике p(V) соответствует изохора АВ (рис. 3).

При дальнейшем нагревании газа поршень придет в движение. Давление поршня с грузом на газ остается постоянным, поэтому расширение происходит по изобарному закону. При подъеме груза объем газа в цилиндре увеличивается от V1 до V2, температура в конце изобарного процесса расширения газа достигает значения T3 (рис. 4). Этому процессу на графике p(V) соответствует изобара ВС (рис. 5).

Когда поршень коснется ограничителя в верхней части цилиндра, снимем груз и прекратим нагревание. Цель достигнута, груз поднят. Работу газа A1 (A1 > 0) можно найти как площадь заштрихованного прямоугольника V1BCV2 (см. рис. 5).

Однако подобная машина одноразового действия не имеет практического интереса. Чтобы поднять другой груз, необходимо опустить поршень, т. е. сжать газ. Но если сжимать газ при той же температуре T3 до объема V1, то работа, совершаемая при сжатии газа, окажется больше работы, совершенной газом при изобарном расширении (рис. 6. Работа равна площади заштрихованной фигуры V1ECV2). Поэтому сжимать газ необходимо при более низкой температуре, т.е. газ нужно охладить.

При понижении температуры в цилиндре давление газа начнет уменьшаться, но объем остается неизменным до тех пор, пока давление снаружи p1 (атмосферное давление) меньше давления внутри. И при некотором значении температуры Т4 давления сравняются (давление газа станет равным p1) (рис. 7). Этому процессу на графике p(V) соответствует изохора CD (рис. 8).

При дальнейшем охлаждении газа поршень придет в движение. Давление поршня (атмосферное давление) на газ остается постоянным, поэтому сжатие происходит по изобарному закону. Объем газа в цилиндре уменьшается от V2 до V1, температура в конце изобарного процесса сжатия достигает значения T1 (рис. 9). Этому процессу на графике p(V) соответствует изобара DA (рис. 10). Работу газа A2 (A2 < 0) можно найти как площадь заштрихованного прямоугольника V1ADV2. В этом случае работа газа при сжатии численно будет меньше работы газа при расширении.

Если при работе тепловой машины изменение состояния рабочего тела происходит по замкнутому циклу, то полезную работу за один цикл можно найти как сумму работ при расширении и при сжатии газа. Работа газа при расширении положительна и равна площади фигуры V1BCV2 (см. рис. 5). Работа газа при сжатии отрицательна и равна площади фигуры V1ADV2 (см. рис. 10). Поэтому полная работа газа цикла, равная сумме работ при расширении и сжатии, и равна площади заштрихованной фигуры BCDA на графике p(V) (рис. 11).

Принцип действия тепловых двигателей

Все тепловые двигатели обладают общим свойством — повторяемостью процессов (цикличностью), в результате чего рабочее тело периодически возвращается в исходное состояние.

Если система совершает положительную работу, то цикл называется прямым. Если работа отрицательная — обратный. На графике p(V) прямые циклы имеют направление обхода по часовой стрелке (см. рис. 11).

Каждый цикл включает в себя следующие процессы:

  1. получение рабочим телом энергии;
  2. совершение работы рабочим телом при расширении;
  3. передача части энергии от рабочего тела;
  4. совершение работы рабочим телом при сжатии.
  • Устройство, от которого рабочее тело получает количество теплоты Q1, называется нагревателем.

У паровой турбины нагревателем является паровой котел, у двигателя внутреннего сгорания — сами продукты сгорания топлива.

Обозначим температуру нагретого рабочего тела через T1. Ее называют температурой нагревателя.

  • Устройство, которому рабочее тело отдает часть количества теплоты Q2, называется холодильником.

Обозначим температуру охлажденного рабочего тела через T2. Ее называют температурой холодильника.

Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара.

Таким образом, любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника (рис. 12).

Рис. 12

КПД теплового двигателя

Рабочее тело (пар или газ) получает некоторое количество теплоты Q1 от нагревателя. При этом газ расширяется и совершает работу A1 (A1 > 0). Часть количества теплоты Q2 рабочее тело отдает холодильнику и при сжатии совершает работу A2 (A2 < 0). Полная работа A рабочего тела равна сумме работ при расширении A1 и сжатии A2, и равна разности полученного Q1 и отданного Q2 количества теплоты:

\(~A = Q_1 - Q_2 .\)

Отношение совершенной машиной работы A к количеству теплоты Q1, полученному от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД):

\(~\eta = \dfrac{A}{Q_1} = \dfrac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 -\dfrac{Q_2}{Q_1}.\)
  • КПД может измеряться и в процентах, тогда расчетная формула будет иметь вид
\(~\eta = \dfrac{Q_1 - Q_2}{Q_1} \cdot 100 %.\)

КПД характеризует эффективность работы тепловой машины, т.е. какая часть полученной энергии преобразуется в механическую.

Из формулы видно, что, так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику (Q2 ≠ 0), то КПД η < 1.

Второе начало термодинамики

Рассмотрим несколько примеров:

  1. при диффузии происходит самопроизвольное выравнивание концентраций. Но обратный процесс сам по себе никогда не пойдет, т.е. смесь газов не разделится на составляющие ее компоненты;
  2. в результате теплообмена энергия передается самопроизвольно от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему сам по себе не происходит;
  3. механическая энергия может полностью переходить во внутреннюю энергию, например, при неупругом ударе или при трении. Но самопроизвольный обратный переход не наблюдается.

Подобные примеры говорят о том, что реальные тепловые процессы всегда происходят только в одном направлении. В обратном направлении они не могут протекать самопроизвольно, т.е. все процессы в природе необратимы.

  • Необратимый процесс — это такой процесс, обратный которому может протекать только как часть более сложного процесса.

Например, чтобы увеличить амплитуду колебаний математического маятника, его нужно подтолкнуть, т.е. это будет результат другого процесса. Можно передать энергию от холодного тела к горячему, но для этого нужна холодильная установка, потребляющая дополнительную энергию, и т.п.

Ни закон сохранения энергии, ни первое начало термодинамики не запрещают обратные процессы.

Направленность реальных тепловых процессов определяется вторым началом термодинамики. Это постулат, который установлен путем обобщения опытных фактов. Есть несколько формулировок второго начала термодинамики.

В 1850 г. немецкий ученый Р. Клаузиус дал такую формулировку:

  • невозможен такой процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от более холодных тел к более горячим.

В 1851 г. английский физик Томсон (У. Кельвин) предложил свою формулировку:

  • невозможен такой процесс, единственным результатом которого было бы совершение работы за счет теплоты, полученной от нагревателя.

Подчеркнем, что речь идет о невозможности циклического обратимого процесса. Система может все подведенное извне количество теплоты преобразовать в работу, например, при изотермическом расширении газа. Но если потребуется повторить этот процесс еще раз, то надо или над газом совершить работу, или газ охладить, т.е. совершить еще несколько процессов.

  • Двигатель, в котором все подводимое тепло идет на совершение работы, называется вечным двигателем второго рода.
  • КПД такого двигателя равнялось бы 100%, т.к. Q2 = 0.

И тогда получаем еще одну формулировку второго начала термодинамики:

  • Невозможно построить вечный двигатель второго рода.

См. также

  1. А так ли хорошо знаком вам вечный двигатель? // Квант. — 2003. — № 3. — C. 32-33
  2. Вечный двигатель Wikipedia
  3. Могилевский М. Леонардо да Винчи и принцип невозможности вечного двигателя //Квант. — 1999. — № 5. — С. 14-18

Цикл Карно

Французский инженер Сади Карно (1796-1832) исследовал основные закономерности работы тепловых двигателей. Изучая обратимые циклические процессы, он установил, что наиболее эффективный (обладающий максимальным КПД) цикл работы теплового двигателя должен состоять из двух изотерм и двух адиабат (рис. 13):

  • процесс 1-2 — изотермическое расширение при температуре T1;
  • процесс 2-3 — адиабатное расширение с понижением температуры до T2;
  • процесс 3-4 — изотермическое сжатие при температуре T2;
  • процесс 4-1 — адиабатное сжатие с повышением температуры до T1.
Рис. 13

КПД такого цикла можно рассчитать по формуле:

\(~\eta_{max} = \dfrac{T_1 - T_2}{T_1} = 1 - \dfrac{T_2}{T_1},\)

где T1 — температура нагревателя, T2 — температура холодильника.

Из формулы видно, что для повышения КПД необходимо увеличивать T1 или уменьшать T2. Так как холодильником в большинстве случаев служит окружающая среда, то основной способ повышения КПД состоит только в повышении температуры нагревателя.

КПД был бы η = 1, если бы температура холодильника была равна абсолютному нулю: T2 = 0 К, что не достижимо.

Цикл Карно — идеальный цикл. В реальных циклах нельзя осуществить идеальную адиабатность и изотермичность. Кроме того, не устранимы потери на трение. Поэтому КПД в реальных тепловых двигателях всегда меньше, чем рассчитанный по формуле.

Роль тепловых двигателей

Тепловые двигатели являются основными преобразователями энергии топлива в другие виды энергии. Развитие современной цивилизации без них было бы невозможным. Тепловые двигатели необходимы для получения электроэнергии, для приведения в движение большинства транспортных машин.

Все тепловые двигатели можно разделить на три группы:

  1. поршневые — под действием давления газа происходит колебательное (возвратно-поступательное) движение поршня;
  2. ротационные — струя газа направляется на лопасти турбины и приводит ее во вращение;
  3. реактивные — газообразные продукты сгорания выбрасываются из рабочей камеры с большой скоростью и приводит двигатель в движение.

К поршневым двигателям относятся паровые машины и двигатели внутреннего сгорания.

Паровые машины — это первые тепловые машины. Они были созданы И. И. Ползуновым (1763 г.) и Д. Уаттом (1764 г.). Они применялись на судах (пароходы) и на железнодорожных локомотивах (паровозы), а также в стационарных установках для привода станков. Но из-за низкого КПД (9-12 %) в настоящее время они не используются.

Двигатели внутреннего сгорания (карбюраторный (Н. Отто, 1876) и дизель (Р.Дизель, 1897)), согласно статистике, самый распространенный тип теплового двигателя. Они используются в основном на транспорте: автомобили, теплоходы, трактора, тепловозы. КПД этих двигателей равен от 20-35% (карбюраторные) до 30-45 % (дизель).

Судовой дизельный двигатель 12-цилиндровая версия Wartsila - Sulzer - RTA96-C

К роторным двигателям относятся паровая (К.Лаваль, 1889) и газовая турбина. Они применяются на тепловых и атомных электростанциях, в самолетах. КПД их равен 25-40%.

Паровая турбина (Siemens, Германия)

Реактивные двигатели (К. Э. Циолковский, 1903) широко используются в качестве двигателей самолетов и ракет. КПД этих двигателей растет с увеличением скорости аппарата и примерно равен 40-50%.

ТРДД АИ-25, используемый на пассажирском самолете Як-40

См. также

  1. Воздушно-реактивный двигатель Wikipedia
  2. Газовая турбина Wikipedia
  3. Двигатель внутреннего сгорания Wikipedia
  4. Дизельный двигатель Wikipedia
  5. Паровая турбина Wikipedia
  6. Пинский А.А. Физика: Учеб. пособие для 10 кл. шк. §35. Устройство и действие тепловых машин

Экологические проблемы

Тепловые двигатели оказывают вредные воздействия на окружающую среду:

  1. КПД тепловых двигателей η < 50 %, поэтому большая часть энергии топлива рассеивается в окружающем пространстве. Это приводит к нагреву окружающей среды (тепловое загрязнение), что ухудшает общую экологическую обстановку;
  2. выброс в атмосферу продуктов сгорания топлива (сернистые соединения, оксиды углерода, оксиды азота и др.), вредные для растений, животных и человека;
  3. повышение концентрации углекислого газа в атмосфере увеличивает "парниковый эффект" Земли.

В связи с этим весьма важной стала проблема охраны природы. Для охраны окружающей среды необходимо обеспечить:

  1. эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов;
  2. использование качественного топлива, создание условий для более полного его сгорания;
  3. повышение КПД тепловых двигателей за счет уменьшения потерь на трение и полного сгорания топлива и др.

Перспективно использование водорода в качестве горючего для тепловых двигателей: при сгорании водорода образуется вода. Идут интенсивные исследования по созданию электромобилей, способных заменить автомобили с двигателем, работающим на бензине.

Литература

  1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 161-165.
  2. Жилко В.В. Физика: Учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, А.В.Лавриненко, Л.Г. Маркович. — Мн.: Нар. асвета, 2002. — С. 134-140, 144-150.
  3. Кабардин О.Φ. Физика; Справ, материалы: Учеб. пособие для учащихся — М.: Просвещение, 1991.— C. 101-105.

Смотреть HD

видео онлайн

бесплатно 2022 года