Необратимость тепловых процессов. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей.

Необратимость тепловых процессов Закон сохранения энергии – количество энергии при любых ее превращениях остается неизменным. Какие энергетические превращения возможны? = 0 Многие процессы вполне допустимые с точки зрения закона сохранения энергии никогда не протекают в действительности Необратимые процессы: Нагретые тела уменьшают свою температуру, передавая энергию более холодным окружающим телам. Обратный процесс: передача энергии от холодного тела к горячему Не противоречит закону сохранения энергии!!! НО! -> самопроизвольно не происходит!

Необратимость тепловых процессов Пример: колебания маятника, выведенного из положения равновесия Два варианта За счет работы силы трения Энергетически допускается механическая энергия маятника уменьшается Температура маятника и окружающего воздуха (и их внутренняя энергия) увеличивается Обратный процесс Охлаждение маятника и окружающей среды Амплитуда колебаний маятника увеличивается НО! Такой процесс никогда не наблюдается!!!

Необратимость тепловых процессов Механическая энергия самопроизвольно переходит во внутреннюю энергию Энергия упорядоченного движения тела как целого превращается в энергию неупорядоченного теплового движения составляющих его молекул.

Необратимость тепловых процессов Все процессы в природе необратимы Типичный пример: передача энергии от горячего тела к холодному Механическая энергия переходит во внутреннюю энергию

Необратимость тепловых процессов Все макроскопические процессы в природе протекают только в одном направлении В обратном направлении они самопроизвольно протекать не могут Все процессы в природе необратимы: Пример: старение и смерть организмов

Необратимость тепловых процессов Определение: такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном направлении; в обратном направлении они могут протекать только как одно из звеньев сложного процесса Необратимые процессы -

Необратимость тепловых процессов Указывает направление возможных энергетических превращений = выражает необратимость процессов в природе Второй закон термодинамики: Установлен: обобщение опытных фактов Есть несколько его равнозначных формулировок

Необратимость тепловых процессов Второй закон термодинамики: Невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменениях в обеих системах или в окружающих телах. Формулировка Клаузиуса Рудольф Клаузиус – немецкий ученый

Необратимость тепловых процессов Второй закон термодинамики: Теплота сама собой переходит всегда от горячих тел к холодным. Направленность теплопередачи Холодильные установки!!! Переход от холодного тела к горячему охлаждение совершение работы

Необратимость тепловых процессов Второй закон термодинамики: Заключение о необратимости не только процесса теплопередачи, но и других процессов в природе важность Теплота Холодное тело Горячее тело Можно было бы обратить и другие процессы

Тепловые двигатели Большая часть двигателей на планете Устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию тепловые двигатели

Тепловые двигатели Эксперимент: На электроплитку поставлен высокий химический стакан с водой. Внутри воды находится перевернутая пробирка, частично заполненная водой. Как будет вести себя пробирка?

Тепловые двигатели Эксперимент: 1. По мере увеличения температуры жидкости, прогревается воздух в пробирке. Он расширяется и вытесняет часть воды из пробирки. В результате этого уменьшается сила тяжести системы, состоящей из пробирки и воды в ней. Как только сила тяжести станет меньше выталкивающей силы – пробирка всплывет. 1. После соприкосновения пробирки с наружным воздухом она немного остынет. Воздух сожмется, вода войдет в пробирку и пробирка опустится на дно. 2. Все это неоднократно повторится. Фактически – это тепловая машина!!!

Тепловые двигатели Эксперимент: В каждом цикле совершается работа по преодолению силы трения пробирки при движении в воде. Если такую пробирку «нагружать снизу», а разгружать вверху, то такую тепловую машину можно использовать для подъема груза Если стакан закрыть крышкой = температура везде будет одинакова и машина не будет работать. Вывод: Для работы тепловой машины необходима разность температур!!!

Тепловые двигатели Изменение давления в тепловой машине: сгорание топлива Увеличение температуры рабочего тела на сотни/тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды Рабочее тело: газ совершает работу при расширении

Тепловые двигатели Схема тепловой машины Т 1 – температура нагревателя Т 2 – температура холодильника А – работа, совершаемая рабочим телом Q н – теплота, получаемая от нагревателя Q х – теплота, отдаваемая холодильнику

Тепловые двигатели Схема тепловой машины При совершении работы газ остывает и теряет свою энергию, охлаждаясь до температуры T 2. Температура Т 2 не может быть значительно ниже температуры окружающей среды иначеP газа < P атм Двигатель не сможет работать

Тепловые двигатели Схема тепловой машины Холодильник Т 2 атмосфера Устройство для конденсации отработанного пара Т 2 > T окр. среды!!!

Тепловые двигатели Схема тепловой машины Общие принципы работы тепловых двигателей От нагревателя получить количество теплоты Q н и передать его холодильнику Q 2. За счет того что Q н > Q х и совершается работа.

Тепловые двигатели Схема тепловой машины Рабочее тело при расширении передает не всю внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты передается холодильнику эта часть внутренней энергии теряется

Тепловые двигатели По закону сохранения энергии: Работа, совершаемая двигателем: A = |Q 1 | - |Q 2 |

Тепловые двигатели Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя так как у всех тепловых машин некоторое количество теплоты Q отдается холодильнику, то

Тепловые двигатели Коэффициент полезного действия (КПД) идеального теплового двигателя с идеальным газом в качестве рабочего тела КПД < КПД идеального теплового двигателя (всегда) Т 1 – температура нагревателя Т 2 – температура холодильника

Задачи Идеальный тепловой двигатель за время t = 0,5 часа получает от нагревателя количество теплоты Q 1 = 150 к Дж. Определить полезную мощность двигателя, если он отдает холодильнику количество теплоты Q 2 = 100 к Дж Количество теплоты, отданное тепловым двигателем за цикл Q 2 = 1,5 к Дж, КПД двигателя ƞ = 20%. Определить полученное от нагревателя за цикл количество теплоты Количество теплоты, полученное от нагревателя тепловым двигателем, равно Q 1 = 20 к Дж. За это же время он отдает холодильнику количество теплоты Q 2 = 0,75 Q 1. Найти КПД этого двигателя и работу, совершаемую им Тепловой двигатель имеет полезную мощность N =2 к Вт. Какое количество теплоты получает двигатель за t = 1 час, если его КПД ƞ = 12%? Тепловой двигатель с КПД ƞ = 12% совершает за цикл работу A = 150 Дж. Определить количество теплоты, отданное за цикл двигателю.