Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики. Тепловые двигатели и их КПД.

Тема: Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики. Тепловые двигатели и их КПД.

Ссылка: https://youtu.be/QOy5A4nRSzQ

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. Процессы, нарушающие первый закон термодинамики, никогда не наблюдались. 

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.

Английский физик У. Кельвин дал в 1851 г. следующую формулировку второго закона:

В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара.

Гипотетическую тепловую машину, в которой мог бы происходить такой процесс, называют вечным двигателем второго рода. В земных условиях такая машина могла бы отбирать тепловую энергию, например, у Мирового океана и полностью превращать ее в работу. Масса воды в Мировом океане составляет примерно 10²¹ кг, и при ее охлаждении на один градус выделилось бы огромное количество энергии (≈ 10²⁴ Дж), эквивалентное полному сжиганию 10¹⁷ кг угля. Ежегодно вырабатываемая на Земле энергия приблизительно в 10⁴ раз меньше. Поэтому вечный двигатель второго рода был бы для человечества не менее привлекателен, чем вечный двигатель первого рода, запрещенный первым законом термодинамики.

Немецкий физик Р. Клаузиус дал другую формулировку второго закона термодинамики:

Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой.

Тепловые двигатели и их КПД.

Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию внутреннюю.

Как вы думаете, вся ли тепловая энергия превращается в тепловых двигателях в механическую энергию?

Обобщая ответы ребят, отмечаю, что любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только часть той энергии, которая выделяется топливом, т.к. пар или газ, совершив работу, еще обладает энергией.

Схема работы теплового двигателя

Нагреватель - топливо; рабочее тело - газ; холодильник- окружающая среда, части

механизма

Q₁-количество теплоты, полученное от нагревателя

Q₂-количество теплоты, отданное холодильнику

А= IQ₁I-IQ₂I -работа, совершаемая двигателем

Для оценки теплового двигателя важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом превращает в полезную работу. Чем больше работа полезная, тем двигатель экономичнее. Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие КПД двигателя, с которым мы сегодня познакомимся.

Физическая величина, показывающая, какую долю составляет совершаемая двигателем работа от энергии, полученной при сгорании топлива, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя находят по формуле

 = (А / Q₁ ) 100% ;  = ( Q₁-Q₂ )/ Q₁ 100% ;  = ( T₁-T₂ )/ T₁ 100%

Кроме того КПД теплового двигателя можно вычислять по формулам:

 = А _п/ А_{з  = Qп/ Qз}  = N_п/ N_з

  ВСЕГДА!  00%

Повышение КПД тепловых двигателей -важнейшая техническая задача. Основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания.

Решите Упражнение 9 № 1-3 на стр.63

Glossary

Д/З: § 15,16 прочитать на стр. 63-72. Решить задачи.

Задачи:

1. Определить КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 15 МДж потребовалось 1,2кг топлива с q =42МДж/кг.

2. Какое количество теплоты потребуется , чтобы расплавить 500 г льда, взятого при температуре -10 ºС.

Литература: Физика 8 класс, Мектеп, 2018