01.04.2021 Тема: Принцип дії теплових двигунів. Холодильна
машина.
Мета: Формувати уявлення про принцип дії теплових двигунів, про необоротність теплових процесів; формувати знання про холодильну машину; формувати вміння розв’язувати фізичні задачі на визначення ККД теплового двигуна; формувати розуміння наукових принципів сучасного виробництва, техніки й технологій; формувати екологічне мислення й відповідну поведінку.
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Необоротність процесів у природі
Оборотний процес – це процес, при якому можливе повернення системи в початковий стан без будь-яких змін у навколишньому середовищі.
Наприклад, абсолютно пружна кулька, падаючи у вакуумі на абсолютно пружну плиту, повернеться після відбиття у вихідне положення, пройшовши у зворотному напрямку всі ті проміжні стани, які вона проходила при падінні.
Необоротний процес – це процес, при якому неможливе повернення системи в початковий стан без перетворень у навколишньому середовищі.
Теплообмін, як показує досвід, є односторонньо спрямованим процесом. В результаті теплообміну енергія передається сама по собі завжди від тіла з високою температурою до тіла з більш низькою температурою. Зворотний процес передачі теплоти від холодного тіла до гарячого сам по собі ніколи не відбувається.
При дифузії вирівнювання концентрацій відбувається мимовільно. Зворотний же процес сам по собі ніколи не відбудеться: ніколи мимовільно суміш газів, наприклад, не розділиться на її складові компоненти.
Необоротність
процесів у природі відображає другий закон (начало) термодинаміки, який має
кілька еквівалентних формулювань.
Неможливим є процес, єдиний результат якого – передача енергії у формі теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого.
Другий закон (начало) термодинаміки (Вільяма Томсона (лорд Кельвін) 1851 р):
Неможливим є періодичний процес, єдиний результат якого – виконання тілом механічної роботи за рахунок зменшення його внутрішньої енергії.
2. Тепловий двигун
Тепловий двигун – теплова машина циклічної дії, яка енергію, що виділяється під час згоряння палива, перетворює на механічну роботу.
Принцип роботи теплових двигунів: робоче тіло, одержуючи певну кількість теплоти Q1 від нагрівника, виконує механічну роботу A і передає деяку кількість теплоти Q2 холодильнику.
3. Коефіцієнт корисної дії (ККД)
Коефіцієнт корисної дії η двигуна – фізична величина, яка характеризує економічність теплового двигуна і дорівнює відношенню роботи, виконуваної двигуном за цикл, до кількості теплоти, одержуваної від нагрівника.
η= A/Q1η= (Q1-Q2)/Q1
Q1 – кількість теплоти, одержана від нагрівника
Q2 – кількість теплоти, віддана холодильнику
Аналізуючи роботу теплових двигунів, французький інженер Саді Карно (1796–1832) у 1824 р. дійшов висновку, що найбільш ефективним (із максимально можливим ККД ηmax ) є так званий ідеальний тепловий двигун.
Ідеальний тепловий двигун – це двигун, який працює за циклом, що складається з двох ізотермічних і двох адіабатних процесів.
Цикл Карно:
1–2 – ізотермічне розширення за температури Tн, робоче тіло одержує теплоту Q1;
2–3 – адіабатне розширення, зменшення температури до Tх, теплообміну немає;
3–4 – ізотермічне стиснення за температури Tх, робоче тіло віддає теплоту Q2;
4–1 – адіабатне стиснення, збільшення температури до Tн.
Карно довів, що ККД такого двигуна дорівнює:
Tн – температура нагрівника; Tх – температура холодильника.
Другий закон (начало) термодинаміки (Саді Карно):
Будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівником, який має температуру Tн, і холодильником із температурою Tх, не може мати ККД, який перевищує ККД ідеальної теплової машини.
4. Теплові двигуни
Види теплових двигунів:
Парові турбіни (використовують у теплових та атомних електростанціях);
Двигуни внутрішнього згоряння (автомобілі, водні судна);
Реактивні та турбореактивні двигуни (літаки та ракети).
Принцип роботи чотиритактного дизельного двигуна
I такт Всмоктування
Ділянка 1 → 2 графіка. Поршень рухається вниз. Через відкритий впускний клапан повітря втягується в циліндр.
II такт Стиснення
Ділянка 2 → 3 графіка. Обидва клапани закриті, поршень рухається вгору, стискаючи повітря. Завдяки величезному стисненню повітря розігрівається до температури понад 700 °С.
III такт Робочий хід
Ділянка 4 → 5 → 6 графіка. Через форсунку в циліндр вприскується розпилене дизельне паливо (3 → 4), яке змішується з розігрітим повітрям. Паливно-повітряна суміш спалахує і, розширюючись, штовхає поршень униз.
IV такт Випускання
Ділянка 2 → 1 графіка. Відкривається випускний клапан (6 → 2). Поршень піднімається, і відпрацьовані гази виходять через випускний клапан.
5. Холодильний пристрій
Холодильний пристрій – це пристрій циклічної дії, який підтримує в холодильній камері температуру нижчу, ніж температура довкілля.
Принцип роботи холодильного пристрою: робоче тіло (холодоагент – пара рідини, яка легко випаровується) розширюється і виконує роботу, одержуючи кількість теплоти Q2 від холодильної камери. За рахунок роботи A'=Q1-Q2 зовнішніх сил робоче тіло стискається, при цьому довкіллю передається кількість теплоти Q1=Q2+A'
Холодильний коефіцієнт пристрою – це фізична величина, яка характеризує ефективність роботи холодильного пристрою і дорівнює відношенню кількості теплоти, забраної за цикл від холодильної камери, до роботи зовнішніх сил.
Q2– кількість теплоти одержана від холодильної камери
A' – робота зовнішніх сил
Q1 – кількість теплоти передана довкіллю
Максимальний
холодильний коефіцієнт пристрою:
Холодильний коефіцієнт пристрою може бути більшим за одиницю (на відміну від ККД теплового двигуна).
Поміркуйте:
• Що таке кондиціонер та як він працює?
Кондиціонер – електричний пристрій, призначений для охолодження повітря в приміщенні.
Якщо трубки теплообмінника винести за межі приміщення, а холодильну камеру
залишити відчиненою, то холодильний пристрій забиратиме тепло з приміщення та
віддаватиме його довкіллю.
29.03.2021 Проглянути відео та перевірити правильність виконання вправи № 37 (2, 4)
Тема: Перший закон термодинаміки. Адіабатний процес. Розв'язування задач.
У середині XIX ст. Джеймс Джоуль (1818-1889), Юліус фон Маєр (1814-1878) і Герман фон Гельмгольц (1821-1894), спираючись на проведені досліди, встановили закон, згідно з яким в замкнутій фізичній системі енергія нікуди не зникає і нізвідки не виникає, вона лише перетворюється з одного виду на інший і є величиною сталою. Це твердження, як ми вже знаємо, називають законом збереження і перетворення енергії. Чи можна цей закон застосувати і до теплових процесів?
1. Перший закон термодинаміки
Перший закон (начало) термодинаміки:
Зміна внутрішньої енергії системи (∆U) у випадку переходу з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил (A') і кількості теплоти (Q), переданої системі.
∆U=Q+A'
Якщо система одержує певну кількість теплоти, то в наведеній формулі Q беруть зі знаком «+», якщо віддає, то зі знаком «–».
A'=-A
A' – робота зовнішніх сил (робота над газом)
A – робота проти зовнішніх сил (робота газу)
Перший закон (начало) термодинаміки можна сформулювати інакше:
Кількість теплоти Q, передана системі, йде на зміну внутрішньої енергії системи (∆U) та на виконання системою роботи A проти зовнішніх сил.
Q=∆U+A
Проблемне питання
• Чи можливо створити вічний двигун?
Згідно з першим законом термодинаміки неможливо створити вічний двигун першого роду – циклічний пристрій, який виконував би механічну роботу без споживання енергії ззовні або виконував би роботу більшу, ніж споживана ним енергія.
2. Перший закон термодинаміки (Q=∆U+A) для ізопроцесів
Ізохорний процес
m=const; V=const; ∆V=0; A=0 => Q=∆U
При ізохорному процесі вся передана газу кількість теплоти витрачається на збільшення внутрішньої енергії газу.
Якщо газ ідеальний одноатомний, то кількість теплоти, передана газу, дорівнює:
Ізотермічний процес
m=const; T=const; ∆T=0; ∆U=0 => Q=A
При ізотермічному процесі вся передана газу кількість теплоти йде на виконання механічної роботи.
Ізобарний процес
m=const; p=const; ∆p=0 => Q=∆U+A
При ізобарному процесі передана газу кількість теплоти йде і на збільшення внутрішньої енергії газу, і на виконання механічної роботи.
Якщо газ ідеальний одноатомний, то кількість теплоти, передана газу, дорівнює:
3. Адіабатний процес
Адіабатний процес – це процес, який відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем.
∆U+A=0 або A=-∆U
У ході адіабатного розширення газ виконує додатну роботу за рахунок зменшення внутрішньої енергії, при цьому температура газу зменшується.
p=nkT, у разі адіабатного стиснення тиск газу зростає набагато швидше, ніж у разі ізотермічного, адже одночасно зі збільшенням концентрації молекул газу збільшується і його температура (синій – адіабата, червоний – ізотерми).
В разі адіабатного розширення тиск падає швидше, ніж у разі ізотермічного, адже одночасно зменшуються і концентрація, і температура газу
У реальних умовах процес, близький до адіабатного, можна здійснити, якщо газ міститиметься всередині деякої оболонки з дуже хорошими термоізоляційними властивостями.
Адіабатними можна вважати й процеси, які відбуваються дуже швидко, тому що в такому випадку газ не встигає обмінятися теплотою з навколишнім середовищем (наприклад, розширення і стиснення повітря в ході поширення звукових хвиль; розширення газу під час вибуху).
Збільшення температури внаслідок різкого стиснення повітря використовується в дизельному двигуні, в якому відсутня система запалювання пальної суміші.
Розв'язування задач.
1. Дайте пояснення явищу, що демонструється у наступному відео.
ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ Опрацювати § 38, Вправа № 38 (1, 3)
23.04.2020 Тема: Робота в термодинаміці. Розв'язування задач.
Проведем екперимент. У товстостінну посудину накачують повітря. Через деякий час корок вилітає з посудини. Спостерігається утворення туману.
Під дією яких сил корок вилетів із посудини? Про що свідчить утворення туману? Який висновок можна зробити щодо зміни внутрішньої енергії газу, який міститься в посудині?
Якщо роботу виконує саме тіло, то його внутрішня енергія зменшується. У момент вильоту корка в балоні утворився туман. Це свідчить про те, що температура повітря знизилась. Таким чином, внутрішня енергія повітря зменшилась у результаті того, що воно виконало роботу, виштовхнувши корок.
1. Внутрішня енергія (зміна об’єму газу)
Внутрішня енергія газу може змінюватися, якщо зовнішні сили, що діють на нього, виконують роботу (додатну або від’ємну).
Якщо газ розширюється (тобто виконує додатну роботу), то швидкість руху молекул, температура і внутрішня енергія газу зменшуються.
Якщо газ стискають (газ виконує від’ємну роботу) і він при цьому не віддає енергію навколишньому середовищу, то швидкість руху молекул газу, а відповідно, і внутрішня енергія, і температура газу збільшуються.
2. Робота газу
Газ розширюється ізобарно:
За означенням роботи: A=Fs cosα
Якщо газ розширюється ізобарно, то сила, яка діє з боку газу на поршень, є незмінною: F=pS (p – тиск газу; S – площа поршня); модуль переміщення поршня s=∆l; α=0.
A=Fs cosα=pS∆l=p∆V
A=p∆V або A=p(V2-V1 )
Газ стискається ізобарно:A=p∆V
Робота газу в разі ізобарного розширення (або стиснення) чисельно дорівнює площі прямокутника під графіком залежності p(V).
3. Геометричний зміст роботи
Робота газу при ізотермічному розширенні (стисненні) чисельно дорівнює площі криволінійної трапеції під графіком залежності p(V).
При ізохорному процесі газ роботу не виконує.
Робота газу залежить від того, яким шляхом відбувався перехід газу з початкового стану в кінцевий.
Три шляхи переходу газу зі стану 1 у стан 2:
а – газ ізобарно розширюється (ділянка 1k), потім ізохорно охолоджується (ділянка k2);
б – газ ізотермічно розширюється;
в – газ ізохорно охолоджується (ділянка 1l), потім ізобарно розширюється (ділянка l2).
