Механика

38. Циклические процессы. Теорема Карно 

1. Рабочим телом (рабочим агентом) называется термодинамическая система, совершающая процесс и предназначенная для преобразования одной формы передачи энергии - теплоты или работы - в другую. Например, в тепловом двигателе рабочее тело, получая энергию в форме тепла, часть ее передает в форме работы. 
2. Нагревателем (теплоотдатчиком) называется система, сообщающая рассматриваемой термодинамической системе энергию в форме тепла. 
Холодильником (теплоприемником) называется система, получающая от рассматриваемой термодинамической системы энергию в форме тепла. 
3. Круговые процессы изображаются в термодинамических диаграммах в виде замкнутых кривых. Работа против внешнего давления, совершаемая системой в обратимом круговом процессе, измеряется площадью, ограниченной кривой этого процесса в диаграмме V - р. 
Прямым циклом называется круговой процесс, в котором система совершает положительную работу: А > 0. В диаграмме V - p прямой цикл изображается в виде замкнутой кривой, проходимой рабочим телом по часовой стрелке. 
Обратным, циклом называется круговой процесс, в котором работа, совершаемая системой, отрицательна А < 0. В диаграмме V - p обратный цикл изображается в виде замкнутой кривой, проходимой рабочим телом против часовой стрелки. 
В тепловом двигателе рабочее тело совершает прямой цикл, а в холодильной машине - обратный цикл. 
4. Термическим (термодинамическим) коэффициентом полезного действия (к. п. д.) h называется отношение теплового эквивалента А работы, совершенной рабочим телом в рассматриваемом прямом круговом процессе, к сумме Q₁ всех количеств тепла, сообщенных при этом рабочему телу нагревателями:

h = A/Q₁ = (Q₁ - Q₂)/Q₁

 
где Q₂ - абсолютная величина суммы количеств тепла, отданных рабочим телом холодильникам. Термический к. п. д. характеризует степень совершенства преобразования внутренней энергии в механическую, происходящего в тепловом двигателе, который работает по рассматриваемому циклу.  
5. Циклом Карно называется прямой круговой процесс (рис. 1), состоящий из двух изотермических процессов 1 - 1' и 2 - 2' и двух адиабатических процессов 1' - 2 и 2' - 1. В процессе 1 - 1' рабочее тело получает от нагревателя количество тепла Q₁ а в процессе 2 - 2' рабочее тело отдает холодильнику количество тепла Q₂.

 
Теорема Карно: термический к. и. д. обратимого цикла Карно не зависит от природы рабочего тела и является функцией только абсолютных температур нагревателя (T₁) и холодильника (T₂):

h = (T₁ - T₂)/T₁ 
 

40. Третий закон термодинамики

Значение аддитивной константы, возникающей при определении  энтропии, устанавливается теоремой Нернста, которую часто называют третьим законом термодинамики: энтропия любой системы при абсолютном нуле температуры всегда может быть принята равной нулю.

Физический смысл  теоремы состоит в том, что  при T = 0 все возможные состояния системы имеют одинаковую энтропию. Поэтому состояние системы при T = 0 удобно взять в качестве начального состояния О и положить энтропию этого состояния равной нулю. Тогда энтропию произвольного состояния A можно определить интегралом  (63) где интегрирование производится вдоль обратимого процесса, начинающегося от состояния при T = 0 и заканчивающегося состоянием A. 

В термодинамике  теорема Нернста принимается  как постулат. Доказывается она методами квантовой статистики.

Из теоремы Нернста  следует важный вывод о поведении  теплоемкости тел при T→ 0. Рассмотрим нагревание твердого тела. При изменении его температуры T на dT тело поглощает количество теплоты δ Q = C(T) dT ,(64) где C(T) - его теплоемкость. Поэтому согласно определению (63) энтропию тела при температуре T можно представить в форме

  (65)

Из этой формулы  видно, что если бы теплоемкость тела при абсолютном нуле, C(0), отличалась от нуля, то интеграл (65) расходился бы на нижнем пределе. Поэтому при T = 0 теплоемкость должна равняться нулю: C(0) = 0 (66).            Этот вывод находится в согласии с экспериментальными данными по теплоемкости тел при T→ 0 .                                  Следет отметить, что (66) относится не только к твердым телам, но и к газам. Сделанное ранее утверждение о том, что теплоемкость идеального газа не зависит от температуры, справедливо только для не слишком низких температур. При этом нужно иметь в виду два обстоятельства.                          1. При низких температурах свойства любого газа сильно отличаются от свойств идеального газа, т.е. вблизи абсолютного нуля ни одно вещество не является идеальным газом.                                                     2. Если бы даже идеальный газ мог существовать вблизи нуля температуры, то строгое вычисление его теплоемкости методами квантовой статистики показывает, что она стремилась бы к нулю при T→ 0 .  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

15. Неинерциальные системы  отсчета. Силы  инерции

законы  Ньютона выполняются только в инерциальных системах отсчета. Системы отсчета, движущиеся относительно инерциальной системы с ускорением, называются неинерциальными. В неинерциальных системах законы Ньютона, вообще говоря, уже несправедливы. Однако законы динамики можно применять и для них, если кроме сил, обусловленных воздействием тел друг на друга, ввести в рассмотрение силы особого рода — так называемые силы инерции.

Если учесть силы инерции, то второй закон Ньютона  будет справедлив для любой системы отсчета: произведение массы тела на ускорение в рассматриваемой системе отсчета равно сумме всех сил, действующих на данное тело (включая и силы инерции). Силы инерции F_ин при этом должны быть такими, чтобы вместе с силами F, обусловленными воздействием тел друг на друга, они сообщали телу ускорение а', каким оно обладает в неинерциальных системах отсчета, т. е.

mа' = F+F_ин. (27.1)

Так как  F=ma (a — ускорение тела в инерциальной системе отсчета), то

ma' = ma+F_ин.

Силы инерции  обусловлены ускоренным движением системы отсчета относительно измеряемой системы, поэтому в общем случае нужно учитывать следующие случаи проявления этих сил: 1) силы инерции при ускоренном поступательном движении системы отсчета; 2) силы инерции, действующие на тело, покоящееся во вращающейся системе отсчета; 3) силы инерции, действующие на тело, движущееся во вращающейся системе отсчета.

Рассмотрим  эти случаи.

1. Силы инерции при  ускоренном поступательном движении системы отсчета. Пусть на тележке к штативу на нити подвешен шарик массой т (рис. 40). Пока тележка покоится или движется равномерно и прямолинейно, нить, удерживающая шарик, занимает вертикальное положение и сила тяжести Р уравновешивается реакцией нити Т. Если тележку привести в поступательное движение с ускорением а₀, то нить начнет отклоняться от вертикали назад до такого угла а, пока результирующая сила F=P+T не обеспечит ускорение шарика, равное а₀. Таким образом, результирующая сила F направлена в сторону ускорения тележки а₀ и для установившегося движения шарика (шарик теперь движется вместе с тележкой с ускорением а₀) равна

F = mgtga=ma₀,

откуда угол отклонения нити от вертикали  tga=a₀/g,

т. е. тем  больше, чем больше ускорение тележки. Относительно системы отсчета, связанной  с ускоренно движущейся тележкой, шарик покоится, что возможно, если сила F уравновешивается равной и противоположно направленной ей силой F_и, которая является ничем иным, как силой инерции, так как на шарик никакие другие силы не действуют. Таким образом,

F_и=-ma₀. (27.2)

Проявление  сил инерции при поступательном движении наблюдается в повседневных явлениях. Например, когда поезд набирает скорость, то пассажир, сидящий по ходу поезда, под действием силы инерции прижимается к спинке сиденья. Наоборот, при торможении поезда сила инерции направлена в противоположную сторону и пассажир отделяется от спинки сиденья. Особенно эти силы заметны при внезапном торможении поезда. Силы инерции проявляются в перегрузках, которые возникают при запуске и торможении космических кораблей.

2. Силы инерции,  действующие на тело, покоящееся во вращающейся системе отсчета. Пусть диск равномерно вращается с угловой скоростью w(w=const) вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр. На диске, на разных расстояниях от оси вращения, установлены маятники (на нитях подвешены шарики массой m). При вращении маятников вместе с диском шарики отклоняются от вертикали на некоторый угол (рис.41).

В инерциальной системе отсчета, связанной, например, с помещением, где установлен диск, шарик равномерно вращается по окружности радиусом R (расстояние от точки крепления маятника к диску до оси вращения). Следовательно, на него действует сила, равная F = mw²R и направленная перпендикулярно оси вращения диска. Она является равнодействующей силы тяжести Р и силы натяжения нити Т: F=P+T, Когда движение шарика установит-

ся, то F=mgtgalfa=mw²R, откуда tgalfa=w²R/g,

т. е. углы отклонения нитей маятников будут  тем больше, чем больше расстояние К от шарика до оси вращения диска и чем больше угловая скорость вращения w.

Относительно  системы отсчета, связанной с вращающимся диском, шарик покоится, что возможно, если сила F уравновешивается равной и противоположно направленной ей силой F_и, которая является ничем иным, как силой инерции, гак как на шарик никакие другие силы не действуют. Сила F_ц, называемая центробежной силой инерции, направлена по горизонтали от оси вращения диска и равна

F_ц=-mw²R. (27.3)

Действию  центробежных сил инерции подвергаются, например, пассажиры в движущемся транспорте на поворотах, летчики при выполнении фигур высшего пилотажа; центробежные силы инерции используются во всех центробежных механизмах: насосах, сепараторах и т. д., где они достигают огромных значений. При проектировании быстро вращающихся деталей машин (роторов, винтов самолетов и т. д.) принимаются специальные меры для уравновешивания центробежных сил инерции.

Из формулы (27.3) вытекает, что центробежная сила инерции, действующая на тела во вращающихся системах отсчета в направлении радиуса от оси вращения, зависит от угловой скорости вращения и системы отсчета и радиуса R, но не зависит от скорости тел относительно вращающихся систем отсчета. Следовательно, центробежная сила инерции действует во вращающихся системах отсчета на все тела, удаленные от оси вращения на конечное расстояние, независимо от того, покоятся ли они в этой системе (как мы предполагали до сих пор) или движутся относительно нее с какой-то скоростью.

3. Силы инерции,  действующие на  тело, движущееся во вращающейся системе отсчета. Пусть шарик массой т движется с постоянной скоростью v' вдоль радиуса равномерно вращающегося диска (v’ = const, w=const, v'┴w). Если диск не вращается, то шарик, направленный вдоль радиуса, движется по радиальной прямой и попадает в точку А, если же диск привести во вращение в направлении, указанном стрелкой, то шарик катится по кривой 0В (рис. 42, а), причем его скорость v' относительно диска изменяет свое направление. Это возможно лишь тогда, если на шарик действует сила, перпендикулярная скорости v'.

Для того чтобы заставить шарик  катиться по вращающемуся диску вдоль радиуса, используем жестко укрепленный вдоль радиуса диска стержень, на котором шарик движется без трения равномерно и прямолинейно со скоростью v' (рис. 42,б). При отклонении шарика стержень действует на него с некоторой силой F. Относительно диска (вращающейся системы отсчета) шарик движется равномерно и прямолинейно, что можно объяснить тем, что сила F уравновешивается приложенной к шарику силой инерции F_K, перпендикулярной скорости v'. Эта сила называется кориолисовой силой инерции. Можно показать, что сила Кориолиса