12. Билет № 20

Принцип действия тепловых машин. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Мощный расцвет промышленности и транспорта в 19 в. был связан с изобретением и усовершенствованием тепловых двигателей. Тепловые двигатели позволяют использовать огромные запасы внутренней энергии различных энергоносителей (топлива) для нужд цивилизации.

Тепловой двигатель – машина, в которой осуществляется преобразование теплоты сгорания топлива в механическую энергию.

Виды ТД: двигатели внутреннего сгорания (дизельные и карбюраторные), турбины (паровая и газовая), паровая машина, реактивный двигатель.

Принцип работы ТД:

Нагреватель, Т₁ - теплоотдатчик

Q₁ - количество теплоты, полученное от нагревателя

Рабочее тело (газ, пар)A = Q₁ – Q₂ - работа, совершаемая двигателем

Q ₂- количество теплоты, отданное холодильнику

Холодильник, Т₂- теплоприемник, чаще всего окружающая среда

Работа любой тепловой машины состоит из повторяющихся циклов:

1. Получение рабочим телом энергии от нагревателя;

2. Расширение рабочего тела и совершение им работы (рабочий ход);

3. Передача неиспользованной энергии холодильнику;

4. Возвращение в исходное состояние (требует затрат энергии, следовательно невозможно создание вечного двигателя).

КПД тепловой машины определяют как отношение совершенной машиной работы А к количеству теплоты Q₁, полученному от нагревателя: η = = .

КПД характеризует степень преобразования внутренней энергии в механическую в данном тепловом двигателе. Другими словами, это эффективность тепловой машины, выраженная количественно.В работе ТД существуют потери энергии: тепловые и механические. КПД не может быть равным единице, т.к. какое-то количество теплоты всегда отдается холодильнику и существуют потери на преодоление силы трения в движущихся частях машины.

Французский инженер Сади Карно, живший в 19 в., исследовал основные закономерности работы тепловых двигателей. Он установил, что наиболее эффективный цикл работы теплового двигателя состоит из двух изотерм и двух адиабат. Машина Карно – идеальная тепловая машина, рабочим телом которой является идеальный газ.

КПД машины Карно: η = . Значение формулы: дает теоретический предел для максимального КПД реальной тепловой машины, чем больше Т₁ и чем меньше Т₂, тем эффективнее тепловая машина.

Способы повышения КПД: уменьшить трение частей ТД; уменьшить потери топлива вследствие его неполного сгорания.

Экологические проблемы: тепловое загрязнение окружающей среды (нагревание атмосферы), токсичность продуктов сгорания, парниковый эффект (углекислый газ).

Пути решения: усовершенствование ТД (более полное сгорание топлива), очистка газов, выделяющихся топками, использование электромобилей, двигателей, работающих на водороде и кислороде, альтернативные источники энергии.

13. Билет № 10

Электрический заряд. Элементарный заряд. Закон сохранения электрического заряда

Электродинамика - раздел физики, в котором рассматриваются свойства и закономерности электромагнитного поля, благодаря которому осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами и частицами.

Электростатика – раздел электродинамики, посвященный изучению покоящихся электрически заряженных тел.

Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы - электроны. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным. Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной — электрическим зарядом, который обозначается q. Единица измерения электрического заряда — кулон (Кл). 1 кулон — это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, создает в нем ток силой 1 А. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух видов зарядов. Один вид заряда назвали положительным, другой вид заряда назвали отрицательным. Носителем элементарного положительного заряда является протон, носителем элементарного отрицательного заряда является электрон. Элементарный заряд – минимальный заряд, который может иметь частица. Величина элементарного заряда равна е = 1,6•10^-19 Кл.Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Заряд тела всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда: q = e·N, где N — количество нескомпенсированных носителей заряда.

Для того, чтобы получить электрически заряженное тело, т.е. наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного. Различают два способа электризации: трением и через влияние. В обоих случаях происходит перераспределение зарядов между телами или частями тела, нейтральными в первый момент. Небольшая часть электронов переходит с одного тела на другое или из одной части тела в другую. При этом новые частицы не возникают, а существовавшие ранее не исчезают. В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка —положительный.

При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда (экспериментально установленный факт):

полный заряд замкнутой системы (в которую не входят заряды извне), т. е. алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной: q₁ + q₂ + ...+q_n = const. Для задач используется в виде: q₁ + q₂ + ...+q_n = q₁′+ q₂′ + ...+q_n′.

Электризация трением применяется в электрокопировальных установках, с ней приходится считаться на текстильных фабриках. Взаимодействие зарядов разных знаков применяется, например, при покраске автомобилей.