7. Задачі для самостійного розв’язку

Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. - М.: Наука, 1969.

Задачі №: 5.147; 5.145; 5.157; 5.64; 5.71; 5.78; 5.189.

Гаркуша І.П. та ін. Загальний курс фізики. Збірник задач. К. ”Техніка”. 2003

Задачі №: 2.161; 2.150; 2.151; 2.22; 2.71; 2.186; 2.207.

6. Теплові машини. Ентропія. Реальні гази. Фазові переходи. Явища в рідинах

1. Оборотні і необоротні процеси. Цикли

Процес - це перехід системи із одного стану в інший. Є рівноважні і нерівноважні, оборотні і необоротні процеси.

Прирівноважному процесі зміни параметрів системи (тиску, температури і т.ін.) встигають за змінами зовнішніх умов. Це нескінченно повільні процеси.

При нерівноважному процесі після припинення зміни зовнішніх умов параметри системи ще деякий час продовжують змінюватись. Це швидко текучі процеси.

Оборотний – це такий процес, який можна провести в зворотному напрямку через ту ж саму сукупність станів системи, що і в прямому (рис.6.1,а). Якщо ж цього здійснити неможливо, процес називається необоротним (рис.6.1,б). Наприклад, при швидкому стискуванні газу , коли його температура поблизу поршня більша, ніж в об’ємі, зворотній процес розширення газу, із температурою поблизу поршня вищою, ніж в об’ємі, неможливий.

Цикл – це замкнутий процес, тобто коли система після ряду змін повертається в початковий стан. Якщо всі процеси циклу оборотні, цикл теж оборотний. Якщо ж хоч один процес циклу необоротний, цикл теж необоротний.

Робота газу за цикл чисельно дорівнює площі, обмеженій циклом в координатах Р-V.

2. Принцип дії теплової і холодильної машин та їх коефіцієнт корисної дії (ккд). Холодильний коефіцієнт. Друге начало термодинаміки

Теплова машина уявляє собою пристрій, який багатократно здійснює деякий цикл, результатом якого є перетворення теплової енергії в механічну роботу. Причому ця робота повинна бути позитивною. Тоді її можна використати і машина буде корисною.

Всяка теплова машина складається із трьох частин (рис.6.2): нагрівника 1 з температурою Т₁–це джерело теплової енергії; робочого тіла 2–це посередник між тепловою і механічною енергіями; холодильника 3.

Необхідність перших двох частин не викликає сумніву, а третьої, холодильника, потребує обгрунтування. Експлуатація теплових машин показала, що без холодильника не обійтись. Впевнимось у необхідності холодильника, тобто в необхідності викидати певну кількость теплоти в холодильник. При розширенні газу він виконує певну позитивну роботу. Щоб машина працювала відносно довго, робоче тіло необхідно повернути в початковий стан, затративши на це меншу роботу. Тільки тоді А>0 і машина буде корисною. Отже зворотний процес стискування робочого тіла повинен пройти нижче, ніж прямий (рис.6.1,б), а значить при нижчій температурі, ніж прямий. При стискуванні газ нагрівається. Щоб знизити його температуру, необхідно відбирати частину тепла і викидати в холодильник.

Таким чином, ми впевнились, що неможлива теплова машина, яка б повністю перетворювала теплоту в роботу. Така машина називається вічним двигуном другого роду і він неможливий. У цьому полягає суть другого начала термодинаміки.

Слід зауважити, що процес, при якому все тепло перетворюється в роботу, є – це ізотермічний процес. Але ж для роботи теплової машини необхідно проводити замкнутий процес, тобто цикл.

Знайдемо вираз для коефіцієнт корисної дії ККД ( η ) теплової машини. На основі закону збереження енергії робота

, (6.1)

затрачена енергія дорівнює Q₁. За означенням ККД – це відношення корисної роботи до затраченої енергії

. (6.2)

Звернемо увагу, що ККД завжди менший одиниці.

Холодильна машина, це пристрій, призначенням якого є відбирання тепла від холодного тіла і передача його більш гарячому, тобто охолодження холодного тіла. Ця машина працює по оберненому циклу теплової машини (рис.6.3). Корисним результатом роботи холодильної машини є відібране теплоQ₂, на що витрачається робота . Ефективність роботи холодильної машини характеризує відношення забраної кількості теплотиQ₂ до роботи А, тобто холодильний коефіцієнт . (6.3)

Звернемо увагу, що холодильний коефіцієнт^, Він може приймати будь-яке значення, як менше так і більше за одиницю. Але ККД циклу холодильної машини знаходиться за виразом (6.2), як і теплової машини.