ФИЛИАЛ ГОУ ВПО «РГУТИС» в г. Смоленске
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
ПО ДИСЦИПЛИНЕ : «ФИЗИКА»
ТЕМА: ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ И ИЗОПРОЦЕССЫ.
КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ.
Работу выполнил студент Севостьянов Д.Н.
Факультет 100101 «Сервис»
Специализация «Автосервис»
Группы 1.2. П.з.
Проверил : Коцур А.А.
Смоленск 2007
ТЕРМОДИНАМИКА (от термо... и динамика), раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. (Неравновесные процессы изучает термодинамика неравновесных процессов.) Термодинамика строится на основе фундаментальных принципов — начал термодинамики, которые являются обобщением многочисленных наблюдений и результатов экспериментов (см. Первое начало термодинамики, Второе начало термодинамики, Третье начало термодинамики). Термодинамика возникла в 1-й пол. 19 в. в связи с развитием теории тепловых машин (С. Карно) и установлением закона сохранения энергии (Ю. Р. Майер, Дж. Джоуль, Г. Гельмгольц). Основные этапы развития термодинамики связаны с именами Р. Клаузиуса и У. Томсона (формулировки второго начала термодинамики), Дж. Гиббса (метод термодинамических потенциалов), В. Нернста (третье начало термодинамики) и др. Различают химическую термодинамику, техническую термодинамику и термодинамику различных физических явлений.
Основные понятия термодинамики:
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, макроскопическое тело, выделенное из окружающей среды при помощи перегородок или оболочек (они могут быть также и мысленными, условными) и характеризующееся макроскопическими параметрами: объемом, температурой, давлением и др. Для этого термодинамическая система должна состоять из достаточно большого числа частиц.
РАВНОВЕСНЫЙ ПРОЦЕСС, бесконечно медленный процесс, в котором термодинамическая система проходит через ряд бесконечно близких друг к другу равновесных состояний. Равновесный процесс является обратимым.
РАВНОВЕСИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ системы, характеризуется равенством температуры, давления и других макроскопических параметров всех ее частей и максимумом энтропии системы в целом (в условиях, если система не вращается и на нее не действуют внешние поля — гравитационные и др.). Любая изолированная система с течением времени достигает состояния равновесия термодинамического.
ТЕРМОДИНАМИКА НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ, раздел физики, изучающий неравновесные процессы (диффузию, вязкость, термоэлектрические явления и др.) на основе общих законов термодинамики. Для количественного изучения неравновесных процессов, в частности определения их скоростей в зависимости от внешних условий, составляются уравнения баланса массы, импульса, энергии, а также энтропии для элементарных объемов системы, и эти уравнения исследуются совместно с уравнениями рассматриваемых процессов. Термодинамика неравновесных процессов — теоретическая основа исследования открытых систем, в т. ч. живых существ.
Первое начало термодинамики — теплота, передаваемая системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершению работы против внешних сил
Q= A + ∆ U.
Работа, совершаемая газом при изменении его объема, равна
∆ А = p∆ Vв случае, когда давление не меняется, и равна. А = {pdVв произвольном случае. Отсюда видно, что численно работа равна площади под кривой, представляющей график процесса в координатах (р, V)
Для различных изопроцессов первое начало термодинамики имеет вид:
Q= А при изотермическом процессе;
Q = p∆ V + ∆ Uпри изобарическом процессе;
Q = AUпри изохорном процессе. Еще одна формулировка первого начала термодинамики гласит: вечный двигатель первого рода, который бы совершал бы большую работу, чем сообщенная ему извне энергия, — невозможен
Адиабатный процесс — процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой (Q = 0). Адиабата — график этого процесса. Уравнением адиабатного процесса является уравнение Пуассона: рV= const.
Первое начало термодинамики для этого процесса имеет вид ∆ U = -А, т. е. внутренняя энергия системы может быть изменена только за счет совершения работы.
Первый закон термодинамики: ∆U = А + Q
A’ = -A ∆U = -A’ + Q, где A’-работа самой системы Q = A’ + ∆U
Если система изолирована:
A = 0 Q = 0 => ∆U = 0, но ∆U = U2 – U1 = 0 U1 = U2 = const
Q = 0 A’ + ∆U = 0 A’ = -∆U Вечный двигатель не может работать вечно.
Газовые законы (изопроцессы).
PV = m/M * RT т.д – параметры: P, V, T.
Закон Дальтона для смеси газов.
Давление смеси газов равно сумме их парциональных давлений, то есть давлении, которые имел бы каждый из газов в отдельности, если бы он при данной температуре один занимал весь объём. Если в сосуде имеется смесь газов, то по закону Дальтона:
Смесь из N газов : P1, P2,…, PN
P = P’ + P” + P”’ + …
P = P1 + P2 + … + PN
Поскольку PNV = mn/ MN*RT
P1V = m1/ M1*RT
P2V = m2/ M2*RT
PNV = Mn/ MN*RT
V (P1 + P2 + … + PN) = RT (m1/ M1 + m2/ M2 + …+ mN/ MN)
1 ЗАКОН
1662 г. Закон Бойля – Мариотта, процесс при T = const– изотермический:
PV = m/M * RT, m = const
1) P1V1 = m/ M* RT P1V1 = P2V2
2) P2V2 = m/ M* RT
При m = const, T = const, PV = const
Q = A’ + ∆U, Q = A’ T = const, ∆U = i/2 * m/ M* R ∆T, ∆T = 0; ∆U = 0
2 ЗАКОН
Закон Гей – Люссака процесс P = const – изобарный m = const
1) P V1 = m/ M* R T1 : P V1/ P V2 = (m/ M* R T1) / (m/ M* R T2)
2) P V2 = m/ M* R T2 V1/ V2 = T1/ T2
Общий вид
PV = m/M * RT / : P => V = m R / M P * T, m R / M P = const. V = const * T или V/T = const
Q = A’ + ∆U
3 ЗАКОН
1787 г. Закон Шарля. Процесс при V = const – изохорный, m = const
1) P1V = m/ M*R T1
2) P2V = m/ M* RT2 Разделим одно на другое получим: P1/ P2 = T1/ T2
Общий вид:
PV = m/M * RT / : V => P = m R/ M V * T, m R/ M V = const. P = const * T или P/T = const
V = const, Q = A’ + ∆U, Q = ∆U, A’ = P∆V, A’ = 0; ∆V = V2 – V1
Адиабатный процесс – в теплоизолированной системе:
Q = 0, 0 = A’ + ∆U, ∆U = - A’ или A = -A’ => ∆U = A
Графики: вставить
Вопрос №2
Коэффициент полезного действия.
Принципы действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей. Тепловые двигатели – это устройства где часть внутренней энергии переходит в работу.
U => A’.
Тепловая машина (двигатель) —
периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет полученной извне теплоты. Принцип действия двигателя приведен на рисунке.
Нагреватель -T1 Холодильник -T2 Рабочее тело- А
? = А/ Q1 = (Q1 - Q2)/ Q1
От термостата с более высокой температурой Т), называемого нагревателем, а цикл отнимается количество теплоты Qv
а термостату с более низко температурой Т2
, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q2
, при этом совершается работа Л = Qj — Q2
. Коэффициент полезного действия, в общем случае равный отношению полезной работы к затраченной, для тепловой машины. Циклом называется процесс, при котором система, пройдя рад состояний, возвращается в исходное. Прямым циклом называется цикл, при котором совершается положительная работа (он протекает по часовой стрелке), обратным — при котором совершается отрицательная работа.
Теорема Карно: из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей (Т,) и холодильников (Т2
), наибольшим к. п. д. обладают обратимые машины; при этом к. п. д. обратимых машин работающих при одинаковых температурах W/ и Т2
) одинаковы.
Максимальным к. п. д. обладает обратимый цикл — цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Для него к. п. д. равен:
? = (T1 – T2)/ T1
Цикл Карно обратим. Обратимым процессом называется термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении, причем если такой процесс происходит вначале в прямом, а затем в обратном направлении и система возвращается в исходное состояние, то в окружающей среде и в этой системе не происходит никаких изменений. Процесс, не удовлетворяющий этим условиям, является необратимым.
Термодинамическая шкала температур — шкала Кельвина.
Т = (t +273) K
В силу соотношения Q1/ Q2 = T1/ T2, следующего из сравнения к. п. д., можно определить температуру данного тела, используя его в качестве холодильника (нагревателя), если на температурной шкале уже выбрана одна постоянная точка с температурой Т в качестве нагревателя (холодильника), и измерив количества теплоты по их механическому эквиваленту (например, термическому расширению). Таким образом построенная шкала называется термодинамической.
Основные виды:
а) Турбинные (паровые, газовые).
б) Поршневые (карбюраторные – ДВЗ; дизельный).
Реактивные, турбореактивные, любое огнестрельное оружие.
Основные элементы.
1824 г. Сади Карно (Франция) – идеальная тепловая машина.
Коэффициент полезного действия цикла обратимого процесса всегда больше коэффициента полезного действия цикла основанного на обратимость процессов при тех же условиях. Оптимальный идеальный цикл теплового двигателя.
T = const PV = const Q = 0
1-2; Q1 полученная от нагревателя P1T1, A совершаемую телом над внешними телами
3-4; Внешние тела совершают А под сжатием двигателя. T2< T1
4-1; А совершается над этим телом.
2-3 процесс адиабатный и 4-1
Полная А совершаемая двигателем равна численно площади S ограниченной кривой цикла. Независимо от концентрации выбор рабочего тела и типов процесса в тепловом двигателе. Его коэффициент полезного действия (КПД) не может быть больше коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя работающего по обратимому циклу, температуры одинаковые.