Тепловой машиной называется периодический действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла

Любая тепловая машина работает по принципу кругового (циклического) процесса, т.е. возвращается в исходное состояние (рис. 5.1). Но чтобы при этом была совершена полезная работа, возврат должен быть произведен с наименьшими затратами.

Полезная работа равна разности работ расширения и сжатия, т.е. равна площади, ограниченной замкнутой кривой.

Обязательными частями тепловой машины являются нагреватель (источник энергии), холодильник, рабочее тело (газ, пар).

Зачем холодильник? Так как в тепловой машине реализуется круговой процесс, то вернуться в исходное состояние можно с меньшими затратами, если отдать часть тепла. Или если охладить пар, то его легче сжать, следовательно работа сжатия будет меньше работы расширения. Поэтому в тепловых машинах используется холодильник.

Рис. 5.3

рямой цикл используется в тепловом двигателе – периодически действующей тепловой машине, совершающей работу за счет полученной извне теплоты. Рассмотрим схему теплового двигателя (рис. 5.3). От термостата с более высокой температурой Т₁, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q₁, а термостату с более низкой температурой Т₂, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q₂ и совершается работа A: (5.2.1)

Обратный цикл используется в холодильных машинах – периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой. Принцип действия холодильной машины представлен на рисунке 5.4. Системой за цикл поглощается при низкой температуре T₂ количество теплоты Q₂ и отдается при более высокой температуре Т₁ количество теплоты Q₁ за счет работы внешних сил А.

Рис. 5.4

Коэффицие́нт поле́зного де́йствия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно η («эта»). КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах.

Математически определение КПД может быть записано в виде: x 100 %,

где А — полезная работа, а Q — затраченная энергия.

КПД теплово́го дви́гателя — отношение совершённой полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя. КПД теплового двигателя может быть вычислен по следующей формуле , где — количество теплоты, полученное от нагревателя, — количество теплоты, отданное холодильнику. Наибольшим КПД среди циклических машин, оперирующих при заданных температурах горячего источника T ₁ и холодного T ₂, обладают тепловые двигатели, работающие по циклу Карно; этот предельный КПД равен .

20. Энтропия. Статистическое столкновение энтропии.

Энтропия – сокращение достигнутой энергии вещества в результате передачи энергии.

КПД может быть равен 100% при преодразовании энергии в работу ΔS= ΔQ/T

ΔS – изменение энтропии ΔQ – изменение теплоты Т – абсолютная температура.

Если системе сообщают определённое количество теплоты, то энтропия системы возрастает.

Энтропия замкнутой системы не может самопроизвольно убывать. В изолированных системах самопроизвольно могут протекать только процессы сопровождающие увеличением энтропии.

Из II начала термодинамики вытекает III начало термодинамики, т.к. оно рассматривает поведение энтропии при приближении температуры к абсолютному 0.

Энтропия замкнутой системы – максимальна, при достижении системой равновесного состояния.

Из третьего начала термодинамики следует, что абсолютного нуля температуры нельзя достигнуть ни в каком конечном процессе, связанном с изменением энтропии, к нему можно лишь асимптотически приближаться, поэтому третье начало термодинамики иногда формулируют как принцип недостижимости абсолютного нуля температуры.

21. Второе и Третье начало термодинамики.

В наиболее очевидной формулировке второе начало гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

В. н. т. в формулировке Клаузиуса утверждает, что процесс, при к-ром не происходит никаких изменений, кроме передачи тепла от горячего тела к холодному, необратим, т. е. теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более горячему (принцип Клаузиуса). Согласно формулировке Томсона, процесс, при к-ром работа переходит в тепло без к--л. иных изменений состояния системы, необратим, т. е. невозможно полностью преобразовать в работу всё тепло, взятое от тела, не производя никаких др. изменений состояния системы (принцип Tомсона). Принцип Томсона эквивалентен утверждению о невозможности вечного двигателя 2-го рода. Третье начало термодинамики (теорема Нернста) — физический принцип, определяющий поведение энтропии при абсолютном нуле температуры. Является одним из постулатов термодинамики. Третье начало термодинамики может быть сформулировано так: «Приращение энтропии при абсолютном нуле температуры стремится к конечному пределу, не зависящему от того, в каком равновесном состоянии находится система». или

где — любой термодинамический параметр.

Заметим, что третье начало термодинамики относится только к равновесным состояниям.

Поскольку на основе второго начала термодинамики энтропию можно определить только с точностью до произвольной аддитивной постоянной (то есть, определяется не сама энтропия, а только её изменение): ,

22. Уравнение состояния реального газа. Силы взаимодействия между молекулами реального газа.

Реальные газы – газы, свойства которых зависит от взаимодействий молекул.

Наиболее простым и качественно верно отображающим поведение реального газа, является уравнение Ван-дер-Ваальса: (P + a/n²)·(n – b) = R·T. (6.3)

а, b – постоянные величины, первая учитывает силы взаимодействия, вторая учитывает размер молекул.
a/n² – характеризует добавочное давление, под которым находится реальный газ вследствие сил сцепления между молекулами и называется внутренним давлением. Для жидких тел это давление имеет большие значения, а для газов из-за малых сил сцепления молекул оно очень мало. Поэтому внешнее давление, под которым находится жидкость, оказывает ничтожное влияние на её объем, и жидкость считают несжимаемой. В газах в виду малости значения a/n² внешнее давление легко изменяет их объем.

Объясняя свойства реальных газов и жидкостей предположим, что на малых расстояниях действуют сила отталкивания, которая с увеличением расстояния сменяется силами притяжения. Молекулярное взаимодействие имеет электрический характер. Силы отталкивания возникают, когда происходит электрическое взаимодействие оболочек.

23. Внутренняя энергия реального газа. Конденсация и образование групп молекул. Эффект Джоуля-Томсана.

Внутренняя энергия реального газа будем определяться суммой кинетической энергии E_к теплового движения его молекул и потенциальной энергии взаимодействия молекул между собой - E_п: U=E_к+E_п.
Потенциальная энергия реального газа обусловлена только силами притяжения между молекулами. Наличие последних приводит к возникновению внутреннего давления p' на газ.
Работа, затрачиваемая на преодоления сил притяжения, равна приращению энергии. Следовательно, можно записать: δA=dE_п=p'dV=(a/V_m²)dV_m

Проинтегрировав это уравнение, получим: E_п=-a/V_m

Знак минус означает, что молекулярные силы, создающие дополнительное давление, являются силами притяжения. Окончательно внутренняя энергия моля реального газа: U_m=C_vT-(a/V_m) (73)
Из формулы для внутренней энергии реального газа следует, что его внутренняя энергия растет как с увеличением температуры, так и с увеличением объема. Если реальный газ будет расширяться или сжиматься адиабатически и без совершения внешней работы, то для него, согласно первому началу термодинамики: ΔQ=ΔU+ΔA; ΔQ=0, ΔA=0; ⇒ ΔU=0 → U=const,

и внутренняя энергия должна оставаться постоянной.
Поэтому, из формулы (73) для реального газа, совершающего адиабатический переход без совершения работы, можно записать: T₁-T₂=(a/C_v)[(1/V_m1)-(1/V_m2)] (74)

Из этого уравнения следует, что изменение объема и изменение температуры имеют разные знаки. Следовательно, при адиабатическом расширении в вакуум, реальный газ должен охлаждаться, а при сжатии - нагреваться.
Отметим, что для идеального газа этот эффект не наблюдается: ΔU=C_vΔT=0 → ΔT=0 → T=const

Поиск по сайту: