Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

фізика / архив / 1атест / Тема 3 / Заняття 25

.doc
Скачиваний:
18
Добавлен:
23.02.2016
Размер:
50.69 Кб
Скачать

Заняття 11.

Незворотність процесів. Принцип дії двигунів

Мета: ознайомити учнів зі зворотними та незворотними процесами в природі, розглянути принцип дії теплових двигунів, пояснити причині низького ККД сучасних двигунів та неможливість створення ідеального двигуну

Ключові слова: незворотність процесів, другий та третій закон термодинаміки, теплові двигуни та їх ККД.

  1. Незворотність процесів в природі.

  2. Принцип дії теплових двигунів.

  3. Цикл Карно. ККД ідеального двигуна

Незворотність процесів в природі. Необоротними називають такі процеси, які можуть мимовільно протікати тільки в одному певному напрямку; у зворотному напрямку вони можуть протікати як одна з ланок складнішого процесу.

Другий закон термодинаміки. Цей закон дає обґрунтовування неможливості створення вічного двигуна, його сформулював німецький учений Р. Клаузіус (1822-1888): неможливо перевести теплоту від холоднішої системи до гарячішої за відсутності інших одночасних змін в обох системах або в навколишніх тілах.

Третій закон термодинаміки: всі мимовільні процеси в сонячній системі протікають із зменшенням ентропії, тобто прагнуть до зменшення енергії. Як наслідок виникає проблема так званої теплової загибелі всесвіту, оскільки мимовільні процеси протікають із зменшенням ентропії, температура складових системи зменшується, то через деякий час (достатньо великий) ентропія системи наблизиться до нуля (оскільки температура прагне до нуля) і всі процеси замруть.

Принцип дії теплових двигунів. Велика частина двигунів на Землі - це теплові двигуни, тобто пристрої, що перетворюють внутрішню енергію палива в механічну. Для того, щоб тепловий двигун виконував роботу, необхідна різниця тиску по обидві сторони поршня двигуна або лопастей. У всіх теплових двигунах ця різниця тиску досягається за рахунок підвищення температури робочого тіла на сотні або тисячі градусів в порівнянні з навколишнім середовищем. В основному використовується згоряння палива.

Робочим тілом у всіх двигунах є газ (або пара), який виконує роботу при розширенні. Температуру Т1, яку придбаває тіло при згорянні палива усередині самого двигуна, називають температурою нагрівача. При здійсненні роботи газ втрачає енергію і охолоджується до Т2 (як правило, температура навколишнього середовища), яку називають температурою холодильника. Холодильником є атмосфера або спеціальний пристрій для охолоджування і конденсації відпрацьованої пари - конденсатори (в цьому випадку температура холодильника може бути нижче за температуру атмосфери).

Робоче тіло двигуна одержує при згорянні палива кількість теплоти Q1, скоює роботу А і передає холодильнику кількість теплоти Q2 < Q1.

Неможливість повного перетворення внутрішньої енергії газу в роботу теплових двигунів обумовлена безповоротністю процесів в природі.

Згідно закону збереження енергії, робота, яка виконується двигуном

А =|Q1| - |Q2|.

ККД теплових двигунів. Коефіцієнтом корисної дії називається відношення роботи А, яка виконується двигуном, до кількості теплоти, одержаної від нагрівача:

Цикл Карно. ККД ідеального двигуна. Сади Карно (1796-1832) вивів, що для ідеального теплового двигуна , де Тн -температура нагрівача, Тх- температура холодильника.

Реальна теплова машина, що працює з нагрівачем, що має температуру Тн, і холодильником з температурою Тх, не може мати ККД, що перевищує ККД ідеальної теплової машини.

Тепловий двигун тим ефективніше, чим вища температура нагрівача і нижча температура холодильника. Лише температура холодильника, яка дорівнює абсолютному нулю, дає =1, але практично температура холодильника не може бути нижчим за температуру навколишнього повітря. Можна підвищувати температуру нагрівача, але вона обмежена температурою плавлення матеріалів.

Ми знаємо, що робота може виконуватися або за рахунок зміни внутрішньої енергії системи, або за рахунок повідомлення системі деякої кількості теплоти.

У живій системі незалежно від того, цілий це організм або окремі органи (наприклад, м'язи), робота не може виконуватися за рахунок притоки ззовні, тобто живий організм не може працювати, як теплова машина.

Спробуємо визначити температуру м'яза (Т1), припускаючи, що вона працює як теплова машина, при температурі 25 оС з ККД 30%. Тоді

оС. Таким чином, якби м'яз працював як теплова машина, вона нагрілася б до 174 оС, а це нереально, оскільки білки, як відомо, денатурують при 50 оС. Таким чином, в живому організмі робота виконується за рахунок зміни внутрішньої енергії системи.

ККД свічення бактерій до 90%, скорочення м'язів 30%, фотосинтезу 75%.

Приклади рішення задач

Приклад 1. У скільки раз максимально можливий ККД двигуна внутрішнього згоряння більше максимально можливого ККД парової машини, що пряцює на нагрітій парі при температурі 300 оС, якщо температура газів в циліндрі двигуна досягає 1000 оС? Відпрацьовані пари і газ мають однакову температуру 100 оС.

Т1=300 оС=573К Відома розрахункова формула максимально досяжного

Т2=1273К ККД теплової машини при заданих температурах

Т = 373К нагрівача і холодильника

Звідси ≈2

Контрольні питання

  1. З якого принципу виходив Майер при формулюванні закону збереження і перетворення енергії?

  2. По якій формулі можна порахувати внутрішню енергію одноатомного газу?

  3. Як змінюється внутрішня енергія при збільшенні маси молекули?

  4. З чого складається внутрішня енергія реального газу?

  5. Як формулюється перший закон термодинаміки?

  6. Як застосовується перший закон термодинаміки до ізопроцесів? теплообміну?

  7. Який принцип роботи теплового двигуна?

  8. Чи можна створити вічний двигун? Чому?

  9. Чому ККД теплового двигуна менше 1?

Задачі для закріплення матеріалу.

  1. В якому з типів кормозапарників для одержання 16 кг пари витрачається 7 кг дров. Який ККД котла, якщо початкова температура води 200С?

  2. Обчислити роботу, яку виконують гази, що розширюються, за один робочій хід поршня, якщо середній тиск газів 5 ат, площа поршня 123 см2 і хід 12,5 см.

  3. Який ККД примуса, якщо для нагрівання 3 л води від 180С до кипіння спалили 56 г гасу?

  4. В ідеальній тепловій машині, ККД якої 30%, газ отримав від нагрівача 10 кДж теплоти. Яку кількість теплоти газ віддав холодильнику?

  5. Теплова машина отримала від нагрівача кількість теплоти 500 кДж та передала холодильнику кількість теплоти 300 кДж. Який ККД теплової машини?

  6. При ізобарному розширені одноатомного ідеального газу була виконана робота А=12 кДж. На скільки збільшилася при цьому внутрішня енергія газу?

  7. Двигун моторолера розвиває потужність 3,3 кВт при швидкості 58 км/год. Скільки кілометрів проїде моторолер, використавши 3,2 л бензину, якщо ККД двигуна 20%?

  8. Температура нагрівача ідеальної теплової машини дорівнює 5270С, а температура холодильника 70С. Визначити, яку кількість теплоти повинен передати нагрівач робочому тілу, щоб машина виконала корисну роботу 5,2 кДж.

Домашній конспект: реферат з теми «Двигун внутрішнього згоряння»

Соседние файлы в папке Тема 3