Уравнение Пуассона. Обратимые и необратимые процессы. Энтропия. Второй закон термодинамики. Круговые процесс и их коэффициент полезного действия, цикл Карно

18 №Сабақ / Урок № 18

Сабақ жоспары / План урока

Сабақтың тақырыбы / Тема урока

Уравнение Пуассона. Обратимые и необратимые процессы. Энтропия. Второй закон термодинамики. Круговые процесс и их коэффициент полезного действия, цикл Карно.

Уравнение Пуассона - уравнение адиабатического процесса для идеального газа, или адиабаты - кривой, описываемой этим уравнением в переменных p и V:

p V ^γ =const

   Величина γ называется показателем адиабаты, его можно определить через количество степеней свободы i:

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии для тепловых процессов – устанавливает связь между количеством теплоты Q, полученной системой, изменением ΔU ее внутренней энергии и работой A, совершенной над внешними телами:

Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую.

Первый закон термодинамики - один из самых общих и фундаментальных законов природы. Неизвестно ни одного процесса, где он нарушался бы. Если какой-либо процесс запрещен первым законом, то можно быть уверенным, что этот процесс никогда не произойдет.

Но первый закон ничего не объясняет, в каком направлении происходят процессы.

Например, при падении камня вся его кинетическая энергия исчезает при ударе о землю, но при этом увеличивается внутренняя энергия самого камня и окружающих его тел, так что закон сохранения энергии не нарушается.

Но первому закону термодинамики не противоречил бы и обратный процесс, при котором к лежащему на земле камню перешло бы от окружающих предметов некоторое количество теплоты, в результате чего камень поднялся бы на некоторую высоту. Однако никто никогда не наблюдал таких самопроизвольно подскакивающих камней.

Процессы, нарушающие первый закон термодинамики, никогда не наблюдались. На Рисунке 1 изображены устройства, запрещенные первым законом термодинамики.

Первый закон термодинамики не устанавливает направления тепловых процессов. Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одном направлении. Такие процессы называются необратимыми.

Например, при тепловом контакте двух тел с разными температурами тепловой поток всегда направлен от более теплого тела к более холодному. Никогда не наблюдается самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Следовательно, процесс теплообмена при конечной разности температур является необратимым.

Обратимыми процессами называют процессы перехода системы из одного равновесного состояния в другое, которые можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний. При этом сама система и окружающие тела возвращаются к исходному состоянию.

Второй закон термодинамики.   На направление возможных энергетических превращений указывает второй закон термодинамики: невозможно выполнить перевод теплоты от более холодного тела более горячему, не осуществив одновременно других изменений в обеих системах или в окружающей среде.

Опыт показывает, что разные виды энергии не равноценны в отношении способности превращаться в другие виды энергии.

Второе начало термодинамики имеет несколько формулировок.

Формулировка Клаузиуса: невозможен процесс перехода теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой.

Формулировка Томсона: невозможен процесс, результатом которого было бы совершение работы за счет теплоты, взятой от одного какого-то тела. Эта формулировка накладывает ограничение на превращение внутренней энергии в механическую. Невозможно построить машину (вечный двигатель второго рода), которая совершала бы работу только за счет получения теплоты из окружающей среды.

Формулировка Больцмана: Энтропия — это показатель неупорядоченности системы. Чем выше энтропия, тем хаотичнее движение материальных частиц, составляющих систему. Давайте посмотрим, как она работает, на примере воды. В жидком состоянии вода представляет собой довольно неупорядоченную структуру, поскольку молекулы свободно перемещаются друг относительно друга, и пространственная ориентация у них может быть произвольной. Другое дело лед — в нем молекулы воды упорядочены, будучи включенными в кристаллическую решетку. Формулировка второго начала термодинамики Больцмана, условно говоря, гласит, что лед, растаяв и превратившись в воду (процесс, сопровождающийся снижением степени упорядоченности и повышением энтропии) сам по себе никогда из воды не возродится. Энтропия не может уменьшаться в замкнутых системах — то есть, в системах, не получающих внешней энергетической подпитки. Или, холодильник не работает, если он не включен в розетку! Или, частицы, оказавшись в беспорядочном хаотичном состоянии не возвращаются в порядок самопроизвольно.

Тепловые двигатели. Двигатели, действие которых основано на превращении внутренней энергии рабочего тела в механическую энергию, называются тепловыми двигателями

Внутреннюю энергию какого-либо тела (нагревателя) частично можно превратить в механическую энергию, но только в процессе теплообмена, когда тепло нагревателя передается другому телу с более низкой температурой (холодильнику).

Впервые этот вопрос был изучен французским ученым С.Карно, который придумал идеальную тепловую машину. Для такой машины необходимо иметь нагреватель с высокой температурой, холодильник с более низкой температурой и рабочее тело (Рисунок 2). Рабочим телом у всех тепловых машин является газ, который совершает работу при своем расширении. Холодильником являются либо атмосфера, либо специальные устройства для охлаждения, так называемые конденсаторы. 

            Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной.

Цикл Карно. Рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Q_н, передает холодильнику количество теплоты Q_х, а разность (Q_н – Q_х) превращается в работу A'. Рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Значительная часть теплоты неизбежно передается холодильнику вместе с отработавшим газом. Эта часть внутренней энергии безвозвратно теряется.

Рабочим телом в машине Карно является идеальный газ, который периодически повторяет один и тот же цикл изменения своего состояния. Он получил название цикла Карно, а подобные процессы называются круговыми или циклическими (Рисунок 3).

Круговой процесс или цикл - процесс, в результате которого система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние.

Если круговой процесс идет по часовой стрелке (Рисунок 4), то работа будет положительной, и цикл прямой.

Если же круговой процесс идет против часовой стрелки (Рисунок 5), то работа - отрицательна, а цикл - обратный.

В машине Карно потери энергии на трение и теплообмен с окружающей средой не принимаются во внимание, поэтому эту машину принято называть идеальной тепловой машиной.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя η называется отношение работы A’, совершенной рабочим телом в прямом круговом процессе, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η<1.

КПД идеальной тепловой машины

КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя Т₁ и холодильника Т₂.

КПД идеальной тепловой машины Карно имеет максимальное значение:

Главное значение этой формулы заключается в том, что, как доказал Карно, любая реальная тепловая машина не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

В реальных тепловых двигателях нельзя создать условия, при которых их рабочий цикл был бы циклом Карно. Так как процессы в них происходят быстрее, чем это необходимо для изотермического процесса, и в то же время не настолько быстрые, чтоб быть адиабатическими.

Домашнее задание: «Физика 10 класс. 1 часть» , с. 216-233, создать презентацию на тему «Тепловые двигатели. Тепловые машины и экология», презентация не должна содержать теоретический материал идентичный материалу урока, не менее 10 слайдов информации с иллюстрациями не включая слайд с темой и окончанием презентации!!!

Скачано с www.znanio.ru