Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно ГОУ СОШ 625 Н. М. Турлакова

План урока 1. Принципы действия тепловых двигателей. 2. Роль холодильника и нагревателя. 3. КПД теплового двигателя. 4. Цикл Карно.

Тепловые двигатели. Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. Реально существующие тепловые двигатели ( паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически.

Рабочий цикл ТД Круговой процесс на диаграмме (p, V). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd

Тепловые резервуары Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q 1 > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q 2 < 0. Полное количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно Q = Q 1 + Q 2 = Q 1 – |Q 2 |.

КПД теплового двигателя При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю ( Δ U = 0). Согласно первому закону термодинамики, Δ U = Q – A = 0. Отсюда следует : A = Q = Q 1 – |Q 2 |. Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q 1, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины :

Модель. Термодинамические циклы

Энергетическая схема тепловой машины : 1 – нагреватель ; 2 – холодильник ; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Q 1 > 0, A > 0, Q 2 T 2

Примеры реальных тепловых циклов Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2)

Цикл С. Карно (1824 г.) Полная работа A, совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках : A = A 12 + A 23 + A 34 + A 41. На диаграмме (p, V) эта работа равна площади цикла.

Цикл С. Карно (1824 г.) Из первого закона термодинамики, работа газа при адиабатическом расширении ( или сжатии ) равна убыли Δ U его внутренней энергии. Для 1 моля газа A = – Δ U = –C V (T 2 – T 1 ), где T 1 и T 2 – начальная и конечная температуры газа. Работы, совершенные газом на двух адиабатических участках цикла Карно, одинаковы по модулю и противоположны по знакам A 23 = –A 41. По определению, коэффициент полезного действия η цикла Карно есть С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя T 1 и холодильника T 2 :

Домашнее задание § 82. Принцип действия тепловых двигателей Упр.15 (11, 12) Использованы материалы диска « Открытая физика »