Рис. 5Л0
ких сил). Крім того, дизель може працювати на дешевих сортах рідкого палива.
Дизелі великої потужності широко застосовують як у стаціонарних установках, так і на водному, залізничному, повітряному транспорті, а дизелі малої потужності останнім часом з успіхом застосовують як дві і гуни автомобілів, тракторів і невеликих суден.
Реактивний двигун
На рис. 5.9 подано схему прямоточного повітряно-реактивного двигуна, який використовують в авіації. Цей двшун працює так. Під час польоту літака зустрічний потік повітря проходить через напірне сопло і захоплює пальне, яке розбризкується форсунками. Утворена робоча суміш надходить потім до камери згоряння, де
Пальне |
Запальна сдічка |
від запальних свічок спалахує. |
|
|
|
Гази, які утворилися внаслідок зго- |
|
|
ряння робочої суміші, з величезною |
|
|
швидкістю викидаються через вихід- |
|
|
ний отвір - сопло. Внаслідок різкого |
Рис. 5.9 |
збільшення тиску під час згоряння су- |
міші швидкість газів на виході з сопла |
значно більша від швидкості повітря, яке входить у двигун. За законом збереження кількості руху (імпульсу) внаслідок цієї різниці швидкостей і створюється реактивна тяга.
Вавіації тепер широко застосовують турбогвинтові двигуни (рис. 5.10).
Уцьому двигуні гази, що проходять через турбіну, від дають їй велику частину своєї енергії, тому газова турбіна розвиває потужність, що значно перевищує ту, яку споживає компресор. Надлишок потужності турбіни витрачається на надавання руху повітряному гвинту, який є основним джерелом тяги двигуна. Крім того, в турбогвинтових двигунах створюється деяка додаткова тяга від реактивної дії відпрацьованих газів, що виходять із сопла.
ККД сучасних теплових машин коливається від 40 % (у двигунів внутрішнього згоряння) до 60 % (у реактивних).
Конструкторська думка вчених працює як у напрямі вдосконалення наявних двигунів (створення нових матеріалів, зменшення тертя і втрат пального при неповному згорянні), так і в напрямі створення двигунів, конструкція яких принципо-
мм ііідрі-інмсться від наявних (МГД-генератори, атомні, ядерні і т. д.). Важмию маги на увазі, що зростання кількості двигунів внутрішнього зго- і ні ні їм дедалі більше занепокоює людей у плані захисту природи і навко- лишнього середовища. Створення нових двигунів, продукти згоряння •іміч не забруднювали б навколишнє середовище, - дуже важлива проблема сучасності.
Охорона природи
Природа для людини не тільки джерело продуктів харчуваннм і ( провини для промисловості. Людина, яка сама є частиною природи, і ю і ребус сприятливого середовища життя з чистими водою і повітрям. І Іоін гря це фізична суміш газів, які утворюють земну атмосферу. Воно і а і и 11> у завислому стані більшу чи меншу кількість пшіу, диму, частинок юні га інших природних домішок. Як правило, концентрація в повітрі природних домішок не досягає таких значень, при яких вони могли б згубно милішати на організм людини. Більш шкідливим є забруднення атмосфер- ної о повітря промисловими викидами.
І Іовсюдне застосування теплових двигунів негативно впливає на навко- •ІІІшиє середовище. Підраховано, що тепер щороку спалюють приблизно
!мнрд т різних видів кам'яного вугілля і близько 1 млрд т нафти. Це призво-
шм. до поступового підвищення середньої температури на Землі, що може
» і морити загрозу танення льодовиків і підвищення рівня Світового океану, і рім того, в атмосферу викидається не менш як 120 млн т золи і до 60 млн т отруйного сірчистого ангідриду. Понад 200 млн автомобілів у всьому світі і- іперервно отруюють атмосферне повітря оксидами вуглецю та азоту, вуг- н ноднями тощо, І це лише частина шкідливих домішок, що потрапляють в имосферу. Із збільшенням потужностей теплових і атомних електростанцій рі іко зростає потреба на воду.
Тепер у багатьох країнах застосовують прямі і посередні методи захисту їм>ні іряного і водного басейнів від забруднення.
І Ірямі методи - це очищення і вловлювання димових і вентиляційних гани, перехід на використання палива, же не забруднює атмосферу, наприклад природного газу, безсірчистої нафти; створення небензинових автомобільних шипунів; очищення води за допомогою фільтрообмінних смол і повторне її ми користання.
Застосування посередніх методів забезпечує значне зниження концентрати шкідливих речовин у найнижчому шарі атмосфери. Ці методи пов'язані и збільшенням висоти джерел викидів і використанням фізичних закономірної гей розсіювання домішок у повітрі, з раціональним урахуванням метео- I и шогічних умов при проектуванні та експлуатації різних підприємств.
Для економії площ і водних ресурсів доцільно споруджувати цілі ком плекси електростанцій із замкненим циклом водопостачання.
Заборонено введення в експлуатацію підприємств і теплоелектростанцій, які викидають в атмосферне повітря золу, кіпоть, пил, шкідливі гази без попереднього очищення. Як правило, шкідливі виробництва будують за межами міста. У великих масштабах озеленюють вулиці, закладають сквери, парки, сади.
Короткі висновки
*Усі макроскопічні тіла мають внутрішню енергію, яка є однозначною функцією температури й об'єму. Внутрішня енергія одноатомного ідеального газу залежить від температури:
ЦЛЛІЯТ.
2 М
На кожний степінь вільності і поступального руху одноатомної молекули припадає однакова кінетична енергія, яка дорівнює М2(кТ).
*Перший закон термодинаміки - це закон збереження і перетворення енергії в застосуванні до теплового процесу. Згідно з ним,
0--АС/Ч-Л.
*У термодинаміці робота, яку виконує система проти зовнішніх сил,
А= рАУ.
*При нагріванні й охолодженні кількість теплоти
0 = ст&Т.
*При обміні теплотою в ізольованій системі без виконання роботи виконується рівняння теплового балансу
0і +й+й + ... + &=0-
*Застосування першого начала термодинаміки до різних ізопроцесів, які відбуваються в ідеальному газі.
При ізохорному процесі зміна внутрішньої енергії ідеального газу пропорційна зміні його температури, Робота дорівнює нулю:
0 - АС/.
При ізобарному процесі теплота, яка передається системі, витрачається на зміну внутрішньої енергії і виконання роботи, При ізотермічному процесі внутрішня енергія ідеального газу не змі-
нюється і вся теплота витрачається на роботу газу проти зовнішніх сил:
й-А.
При адіабатному процесі робота виконується тільки за рахунок зміни внутрішньої енергії газу:
*Другий закон термодинаміки визначає напрями процесів, які відбуваються в природі. Воно заперечує можливість використання запасів внутрішньої енергії якого-небудь джерела без переведення її на нижчий рівень, тобто без холодильника.
У всіх теплових машинах корисно використовується лише частина енергії, яка передається від нагрівника до холодильника. Максимально можливе значення коефіцієнта корисної дії
Т - Т
Ті = ~———ї-
Т
1 н
Найважливіше завдання науки і техніки - підвищення ККД теплових двигунів і наближення його до максимально можливого.
О Т
Відношення — - —- покладено в основу методу вимірювання температур
тн
(термодинамічна шкала температур).
Повсюдне застосування теплових двигунів негативно впливає на навколишнє середовище. Це ставить ряд серйозних проблем перед суспільством. Поряд з підвищенням ККД теплових двигунів треба здійснювати заходи з охорони навколишнього середовища.
Запитання для самоконтролю і повторення
1. Які методи дослідження властивостей макроскопічних систем застосовують у молекулярній фізиці? У чому відмінність цих методів? 2. Що називають термодинамічною системою? 3. Що таке термодинамічний процес? 4. Поясніть поняття оборотних і необоротних процесів. 5. Поясніть поняття внутрішньої енергії системи. 6. Від чого залежить внутрішня енергія ідеального газу? 7. Які форми передавання енергії вам відомі? Розкажіть про них. 8. Яка відмінність між теплоємністю тіла і питомою теплоємністю? 9. У чому зміст рівняння теплового балансу і яка його причетність до закону збереження енергії? 10. Сформулюйте перший закон термодинаміки. 11. Дайте означення адіабатного процесу. 12. Від чого залежить ККД теплової машини? 13. Сформулюйте другий закон термодинаміки. 14. Що таке термодинамічна шкала температур? 15. Наведіть приклади відомих вам теплових двигунів. 16. Чи завдає шкоди природі робота теплових двигунів?
Приклади розв'язування задач
Задача 1. Газ, який займає об'єм 20 л за нормальних умов, було ізобарно нагріто до 80 °С. Визначити роботу розширення газу.
Дано: V = 20 л = 20• 10"3 м3; Тх = 273 К; Т2 = (273 + 80) К - 353 К;
Ру= 1,01-ІО5 Па.
Знайти: А.
Розв'язання. Роботу розширення газу в ізобарному процесі визначаємо за формулою (5.9): А - рАV. З рівняння стану газу випливає
А^ЛАТ.
М
З рівняння Клапейрона - Менделєєва (4.40)
М
знаходимо кількість молів газу:
_ Р\У\
м " ятх'
звідси
АЛ = РЇЇАТ
Обчислення:
1,01-Ю5 Па • 2 • 10~2 м3 -80 К = 590 Дж. 273 К
Задача 2. У калориметрі змішують три рідини, які хімічно не взаємодіють, масою гщ =1 кг, гп2 = 10 кг, т3 = 5 кг, відповідно з температурами 6,
~ 40 і 60 °С і питомими теплоємностями 2000, 4000 і 2000 Дж/(кг • К). Ви- значити температуру 9 суміші і кількість теплоти, потрібну для наступного
нагрівання суміші до |
і |
= 6 °С. |
|
|
|
|
Дано: |
тх = 1 кг; |
|
т2= 10 кг; |
т3 = 5 кг; |
Тх = (273 + 6) К = 279 К; |
Т2 |
= ( 2 7 3 - 4 0 ) К = 233 |
К; Г3 = (273 + 60) К = 333 |
К; Сі |
= 2000 Дж/(кг • К); |
с2 |
= 4000 Дж/(кг К); |
с3 - 2000 Дж/(кг |
К); Т = (273 + 6) |
К = 279 К. |
Знайти: 0, ().
Розв'язання. З рівняння теплового балансу випливає, що алгебрична сума одержаних і відданих рідинами кількостей теплоти дорівнює нулю:
тхсх (Є - Тх) + гп2с2 (0 - Т2) + т3с3 (0 - Т3) = 0.
Розв'язавши це рівняння відносно 0, маємо
тх сх Тх + т2с2 Т2 + пг3 с3 Т3
В = -—— —-———-——
тхсх +т2с2 + т3с3
Щоб суміш нагріти до температури Г, потрібна кількість теплоти
д = схтх (Т- 0) + с2т2 (Т- 0) + с3/п3(Т~Є) = (схтх + с2т2 + с3т3)(Т -0). Обчислення:
1кг • 2000 Дж/(кг • К) • 279 К +10 кг-4000 Дж/(кг • К) • 233 К + +5кг - 2000 Дж/(кг • К) - 333 К
1 кг • 2000 Дж/(кг • К) +10 кг • 4000 Дж/(кг • К) + 5 кг - 2000 Дж/(кг - К) = 254 К;
Й= 2 0 0 0 — - 1 кг + 4000 кг К
+ 2 0 0 0 — — 5 кг -(279-254) К = 1,3-106 Дж = 1.3 МДж. кг • К
Задача 3. Температура нагрівника ідеальної теплової машини 500 К, температура холодильника 400 К. Визначити ККД циклу Карно і корисну потужність машини, якщо нагрівник передає їй 1675 Дж теплоти за секунду.
Дано: Тн = 500 К; Гх = 400 К; £ = 1675 Дж; і = 1 с.
Знайти: г|, N.
Розв'язання. ККД машини визначаємо за формулою (2.12):
Т„-Т |
|
500 К - 4 0 |
0 К |
|
ті - - 2Т—н |
= |
500 К |
|
= 0.2. |
Укорисну роботу перетворюються
А= Оц = 1675 Дж. 0,2 = 335 Дж.
Корисна потужність машини
І
Обчислення:
Л , = 3 3 5 Д Ж = З З 5 В Т ^
Задачі для самостійного розв'язування
1.Тіло масою 10 кг упало з висоти 20 м. На скільки збільшиться внутрішня енергія в момент удару об Землю, якщо на його нагрівання витрачається 30 % кінетичної енергії тіла?
2.У процесі ізотермічного розширення ідеальний газ виконав роботу А = 20 Дж. Яку кількість теплоти надано газу?
3.Яку температуру матиме вода, якщо змішати 400 л води при 20 °С із
100л води при 70 °С?
4.Місткість системи охолодження автомобіля 6 л. У радіатор влили 2,0 л теплої води при 40 °С, а потім доповнили систему гарячою водою при
85°С. Визначити температуру суміші, коли відомо, що теплоємність системи знижує її порівняно з розрахунковою на 14 %.
5.В акваріум налито 25 л води при 17 °С. Скільки гарячої води при 72 °С треба долити в акваріум, щоб у ньому встановилась температура 22 °С?
6.Для ванни треба приготувати 320 л води при 36 °С. У газовій колонці температура води 78 °С, а з водопроводу тече вода при 8 °С. Скільки гарячої і холодної води треба взяти для нагрівання ванни?
7.Чому, піднімаючись у верхні шари атмосфери, повітря охолоджується?
8.Чому під час випускання газу з балона вентиль вкривається росою або навіть інеєм?
9.Визначити роботу ідеальної теплової машини за один цикл, якщо протягом циклу машина одержує від нагрівника 2095 Дж теплоти. Температура нагрівника 400 К, температура холодильника 300 К.
10.Температура нагрівника теплової машини, яка працює за циклом Карно, 207 °С, а температура холодильника 117 °С. Якою має бути температура нагрівника (якщо температура холодильника не змінюється), щоб ККД машини збільшився в три рази?
ГЛАВА б ВЛАСТИВОСТІ ПАРИ
§ 63. Випар
газів, ду властивостей реальних газів і рідин, зокрема їх
Тут треба мати на увазі, іцо молекули газів і рідині хоч і малі за розмірирозміри, певну форму і між ними діють досить
від ідеальних як спрощеної моделі реальних об'єктів.
Під час вивчення ідеального газу було зазначено, що багато його власвід природи газу. Проте чим менша температура і мітніша залежність властивостей газу від його при-
роди. Газ за таких умов називають парою, тим самим підкреслюючи, що він утворився з певної рідини.
роутворення з відкритої поверхні рідині
Випаровуються не тільки рідини, а й тверді тіла.
рухається з глибини рідини до її поверхні, зазнає в
Щоб пройти крізь поверхневий шар, молекула повинна
ні рідини. Швидкості молекул рідини, як і молекул газу, різні. Рідину за-
ператури рідини. Щоб підтримувати сталою температуру рідини, їй треба
У СІ питому теплоту пароутворення вимірюють у (Дж/кг).
НІ ММ ТОГО як молекула рідини перемістилась від межі поверхневого пару па відстань, більшу за радіус дії молекулярних сил рідини, вона стає ют купою пари. Молекулярні сили діють на порівняно коротких відетамич (порядку 10 нм).
Конденсація
Внаслідок хаотичного руху над поверхнею рідини молекула нари, потрапляючи в сферу дії молекулярних сил, знову повертається в ічницу. Цей процес називають конденсацією. У процесі конденсації пари і» ікої маси виділяється стільки енергії, скільки витрачається під час випаровування рідини такої самої маси. Рідина випаровується при будь-якій н мпсрагурі і тим швидше, чим вища температура , більша площа вільної ипнсрхиі рідини, яка випаровується, і чим швидше видаляється утворена над рідиною пара
Якщо рідина міститься у відкритій посудині, то молекул випаровуєте» ч більше, ніж конденсується, і маса рідини зменшується.
Нагадаємо, що процес пароутворення зв'язаний із збільшенням внутрішньої енергії речовини, а процес конденсації - із зменшенням її. Отже, конденсація і пароутворення відбуваються тільки в процесі обміну
гт ріїоо між навколишнім середовищем і речовиною.
§64. Насичена пара
і.її властивості Критичний стан речовини
Насичена пара
Нехай рідина міститься в закритій посудині, з якої відкачано повітря. Спочатку кількість молекул, які випарилися з рідини, зростає, але, чим більше буде кількість молекул пари, тим більше молекул кой» попсується. Якщо кількість молекул пари все-таки збільшується, то пару, мка міститься над рідиною, називають ненасиченою. Якщо за той самий •«ас кількість молекул пари, які випаровуються і конденсуються, однакові, то кількість молекул пари над рідиною буде сталою, Такий стан називають динамічною рівновагою пари і рідини, Пара, їжа перебуває в дана» мічній рівновазі з рідиною, називається насиченою,
Ненасичена пара підпорядковується газовим законам. Чим далі стан пари від насичення, тим краще вона підпорядковується законам Бойля -
При підвищенні температури більшість рідин розширюється, що веде до збільшення від-
ігамі між. молекулами рідини, а оте, до зменшення сил молекулярної взаємодії і зменшення
•пергії, яку втрачає молекула на випаровування.
Маріотта, Гей-Люссака. Із збільшенням кількості молекул нари над поверхнею рідини при незмінній температурі її тиск збільшується. Він досягає максимального значення, коли пара стає насиченою. Тиск насиченої пари визначається концентрацією (кількістю молекул в одиниці об'єму V) молекул пари і температурою.
Розглянемо, як залежить тиск насиченої пари при незмінній температурі від її об'єму. Збільшимо об'єм посудини, в якій містяться рідина і її насичена пара, тоді концентрація молекул пари і її густина зменшаться. Молекули пари рідше потраплятимуть у рідину. Динамічна рівновага порушиться. ГІри сталій температурі кількість молекул, які випаровуються, не зміниться, тобто випаровування переважатиме над конденсацією. Цс триватиме доти, поки знову встановиться динамічна рівновага. Отже, концентрація молекул, а значить, і
тиск насиченої пари над вільною поверхнею рідини при сталій тем-
пературі не залежать від об'єму.
Якщо вся рідина випарувалась, а об'єм посудини продовжує збільшуватись, то концентрація молекул зменшується, а отже, зменшується тиск пари, пара стає ненасиченою. Якщо, навпаки, ненасичену пару стискати, то нарешті уся речовина може перейти в рідкий стан, і для дальшого стискання рідини внаслідок її малої стисливості треба різко збільшити тиск. Цей процес графічно можна подати у вигляді ізотерми при температурі Т] (рис. 6.1). Ділянка ізотерми ТХВ відповідає стисканню ненасиченої пари, ВС - стисканню насиченої пари і рідини, наступна ділянка - стисканню рідини.
Тиск насичувальної пари не залежить від її об'єму, але залежить від температури.
Внаслідок підвищення температури з рідини почне випаровуватись більше молекул. Динамічна рівновага порушиться. Концентрація молекул пари зростатиме, поки знову встановиться динамічна рівновага. При цьому, очевидно, концентрація, а значить, і тиск будуть більші. Отже, із підвищенням температури тиск насиченої пари збільшується.
На рис. 6.1 ізотерма, яка відповідає температурі Т2 > 1\, розміщена вище від
|
ізотерми, яка відповідає Т. |
|
Стан насиченої пари наближено опи- |
|
сується рівнянням стану ідеального газу. |
|
Тиск насиченої пари можна визначити за |
|
формулою |
|
рн = пкТ. |
|
Якщо посудину, в якій є насичена па- |
Рис. 6.1 |
ра, спочатку старанно було очищено від |
центрів конденсації, тобто пилинок, то можна дістати так звану переси- чену пару, тобто пару, тиск якої вищий, ніж це відповідає тиску насиченої пари при певній температурі.
Критичний стан речовини
Густина насиченої пари із підвищенням температури збільшується, а густина більшості рідин при нагріванні зменшується (через їх розширення). Із підвищенням температури значення цих густин зближуються і при деякій температурі, певній для кожної речовини, будуть однакові. При цій температурі зникає різниця між рідким і газоподібним ^ іаиами. Такий стан речовини називають критичним, а температуру, при икііі вона настає, - критичною. Поняття критичної температури вперше іа провадив Д. І. Менделєєв (1860). Він назвав її "абсолютною температу- рою кипіння"; термін "критична температура" був запроваджений пізніше.
І Іа графіку залежності тиску від об'єму (р¥- діаграма, рис. 6,1) темпера гурі Тх відповідає тиск рх насиченої пари, температурі Т2 >ТХ - тиск />у > рх . Із підвищенням температури горизонтальна ділянка ізотерми, яка відповідає двофазному стану, тобто рідині і її насиченій парі, зменшується і при температурі Т = Ткр стягується в одну точку КЦя точка
характеризується критичним тиском Рф і критичним об'ємом ¥Щ). Критичні температури різних речовин неоднакові, наприклад, для гелію /;ф = 5 К (тобто ґкр = -268 °С), а для води Гкр = 647 К (+374 °С).
Штрихова лінія на рис. 6.1 ділить /?К-діаграму на три області. Справа під неї область ненасичувальної пари, зліва - область, що відповідає річній, всередині - область, яка характеризує двофазний стан, тобто рідину і пару. Вище від ізотерми, яка відповідає температурі 7^, розміщена однофазна область - газ. Отже, при температурі, вищій від критичної, речовина перебуває в газоподібному стані і ніяким стисканням перетворити газ у рідину при цій температурі не можна. Критична температура - це найвища температура, при якій газ можна перетворити в рідину.
§ 65. Зміна температури при розширенні газів. Ефект Джоуля - Томсона
У процесі розширення реального газу робота виконується або за рахунок внутрішньої енергії, або за рахунок надання газу теплоти. Розглянемо випадок, коли газ, розширюючись, не виконує роботи проти
