Основы термодинамики (презентация)

Основы термодинамики

Урок физики в 10 классе

Цели урока:

• Сформировать основные понятия термодинамики
• Сформулировать первый закон термодинамики
• Рассмотреть принцип действия тепловых двигателей и их КПД
• Выявить отрицательное воздействие тепловых двигателей на окружающую среду и наметить пути решения этой проблемы

Содержание

• Внутренняя энергия
• Работа в термодинамике
• Количество теплоты
• Первый закон термодинамики
• Принцип действия тепловых двигателей. КПД

_________

Термодинамика – теория тепловых процессов, в которой не учитывается молекулярное строение тел.

Внутренняя энергия

• Определение:

Внутренняя энергия тела – это сумма кинетической энергии хаотического теплового движения частиц (атомов и молекул) тела и потенциальной энергии их взаимодействия

• Обозначение:

U

• Единицы измерения:

[ Дж ]

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа

число молекул

кинетическая энергия одной молекулы

(N A k = R)

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа

Внутренняя энергия идеального двухатомного газа

Так как

- уравнение Клапейрона – Менделеева,

то внутренняя энергия:

- для одноатомного газа

- для двухатомного газа.

В общем виде:

где i – число степеней свободы молекул газа ( i = 3 для одноатомного газа и i = 5 для двухатомного газа)

Изменение внутренней энергии тела Δ U

Совершение работы А

над самим

телом телом

Δ U Δ U

Теплообмен Q

излучение

теплопроводность

конвекция

Работа в термодинамике

• Работа газа:
• Работа внешних сил:

Работа газа при изопроцессах

• При изохорном процессе ( V=const) :

Δ V = 0 работа газом не совершается:

P

V

Изохорное нагревание

• При изобарном процессе (Р= const) :

P

P

Изобарное расширение

V

V 1

V 2

• При изотермическом процессе (Т= const) :

P

1

Изотермическое расширение

2

Р 2

V

V 1

V 2

Геометрическое истолкование работы:

Работа , совершаемая газом в процессе его расширения (или сжатия) при любом термодинамическом процессе, численно равна площади под кривой , изображающей изменение состояния газа на диаграмме (р, V).

P

P

1

Р 1

P

S

2

S

Р 2

V

V

V 2

V 1

V 2

V 1

Количество теплоты – часть внутренней энергии, которую тело получает или теряет при теплопередаче

Процесс

формула

Нагревание или охлаждение

Кипение или конденсация

С – удельная теплоёмкость вещества [ Дж/кг 0 К ], m – масса [ кг ], Δ T – изменение температуры [ 0 K].

Плавление или кристаллизация

r – удельная теплота парообразования [ Дж/кг ]

Сгорание топлива

λ - удельная теплота плавления вещества [ Дж/кг ]

q – удельная теплота сгорания топлива [ Дж/кг ]

Первый закон термодинамики

Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе

Количество теплоты, переданное системе, идёт на изменение её внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами

Применение первого закона термодинамики к различным процессам

Процесс

Постоянный параметр

Изохорный

Изотермический

Первый закон термодинамики

V = const

Т = const

Δ U = Q

Изобарный

Q = A '

Р = const

Адиабатный

Q = const

Q = Δ U + A'

Δ U = -A'

Тепловые двигатели –

устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую.

Виды тепловых двигателей

Принцип действия тепловых двигателей

Т 1 – температура нагревателя

Т 2 – температура холодильника

Q 1 – количество теплоты, полученное от нагревателя

Q 2 – количество теплоты, отданное холодильнику

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя –

отношение работы А ’ , совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

где

• работа, совершаемая

двигателем

тогда

КПД всегда меньше единицы, так как у всех двигателей некоторое количество теплоты

передаётся холодильнику

При

двигатель не может работать

Максимальное значение КПД

тепловых двигателей (цикл Карно):

Отрицательные последствия использования тепловых двигателей:

• Потепление климата
• Загрязнение атмосферы
• Уменьшение кислорода в атмосфере

Решение проблемы:

• Вместо горючего использовать сжиженный газ.
• Бензин заменить водородом.
• Электромобили.
• Дизели.
• На тепловых электростанциях использовать скрубберы, в которых сера связывается с известью.
• Сжигание угля в кипящем слое.

КПД тепловых двигателей

Двигатель

КПД, %

Паровая

машина

1

Паровоз

8

Карбюрато-

рный двигатель

20 - 30

Газовая

турбина

36

Паровая

турбина

35 - 46

Ракетный двигатель на

жидком топливе

47

Литература

• Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б.,Сотский Н.Н. Физика 10 класс. – М.: Просвещение, 2007. – 365 с.
• Касьянов В.А. Физика 10 класс. – М.: Дрофа, 2006. – 410 с.
• Волков В.А. Поурочные разработки по физике. 10 класс. – М: Вако, 2006. – 400 с.
• Касаткина И.Л., Ларцева Н.А., Шкиль Т.В. Репетитор по физике. В 2-х томах. Том 1. – Ростов-на-Дону: Феникс, 1995. – 863 с.
• www: fiz.1september.ru