Первое начало термодинамики и изопроцессы. Коэффициент полезного действия

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 ∆ V в случае, когда давление не меняется, и равна.  А = {p dV в 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 + ∆ U при изобарическом процессе;

Q = AU при 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,…, P_N    

P = P’ + P” + P”’ + …       

P = P₁ + P₂ + … + P_N

Поскольку P_NV = m_n/ M_N*RT

P₁V = m₁/ M₁*RT

P₂V = m₂/ M₂*RT

P_NV = M_n/ M_N*RT

V (P₁ + P₂ + … + P_N) = RT (m1/ M1 + m₂/ M₂ + …+ m_N/ M_N) 
 

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 * R T₂    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 Q_v 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/ T_2, 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 P₁ T₁, 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.