Второй закон термодинамики. Тепловые двигатели. КПД теплового двигателя.

Второй закон термодинамики

Почему невозможен вечный двигатель первого рода?

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

• Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.
• Второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.
• Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю .

Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики:

• Постулат Клаузиуса: «Невозможе н процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» [ (такой процесс называется процессом Клаузиуса).

Постулат Томсона (Кельвина): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона).

Вставка рисунка

ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ. КПД ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Базовый курс 10 класс

Тепловой двигатель

• Тепловым двигателем (тепловой машиной) называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу

РАБОЧЕЕ ТЕЛО ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

• Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает тепловую энергию в процессе теплообмена с нагревателем, имеющим температуру Т1. Эта температура является начальной температурой рабочего тела .

Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать  круговой процесс  или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние рабочего тела. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых.

При расширении газ совершает положительную работу A1, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A2, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A1 + A2 на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Чтобы полная работа за цикл была положительной, необходимо сжимать рабочее тело при более низкой темпер атуре.

• Холодильник - элемент тепловой машины, с помощью которого добиваются снижения температуры рабочего тела перед его сжатием.

КПД идеальной тепловой машины

При заданных температурах нагревателя и холодильника максимально возможный КПД тепловой машины не зависит от природы рабочего тела машины и определяется формулой



Если в машине отсутствуют потери на теплопроводность, лучеиспускание, трение и т.д., т.е. нет необратимых потерь, то тепловая машина называется идеальной.

Анализируя работу тепловых двигателей, французский инженер Сади Карно в 1824 г. нашел, что наивыгоднейшим, с точки зрения КПД, является обратимый круговой процесс, состоящий из изотермических и адиабатных процессов.

Прямой круговой процесс, состоящий из двух изотермических процессов и двух адиабатических, называется циклом Карно

ФОРМУЛА КПД

• Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q1, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия(КПД) η тепловой машины:

Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от нагревателя, превратилась в полезную работу. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η

Интенсивное использование тепловых машин на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции) ощутимо влияет на биосферу Земли .

ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОТ ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов.

Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.

Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа.

В-третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу два-три тонн свинц а.

Компоненты

Двигатели

выбросов

 

 

 

картерные

дизельные

Азот

Альдегиды

74…77

Бензапирен

76…78

0…0,2

1 10-3…910-3

 

0,01…0,02

до 0,01

 

Двуокись углерода

Кислород

 

5…12

0,3…8,0

1…10

Пары воды

Сажа

2…18

3,0…5,5

0,6…4,0

0…0,4

Окись азота

0,01…1,00

Окись углерода

0…0,8

2 10-4…0,5

5…10

Углеводороды

0,01…0,50

0,2…3,0

9 10-3…0,

МЕРЫ ПО ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ .

ЗАПИСАТЬ В ТЕТРАДИ

Температуру холодильника идеальной тепловой машины уменьшили, оставив температуру нагревателя прежней. Количество теплоты, полученное газом от нагревателя за цикл, не изменилось. Как изменились при этом КПД тепловой машины, количество теплоты, отданное газом за цикл холодильнику, и работа газа за цикл?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличилась;

2) уменьшилась;

3) не изменилась.

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины.

Цифры в ответе могут повторяться.

 

КПД тепловой машины

Количество теплоты, отданное газомхолодильнику за цикл работы

Работа газа за цикл

Решение.

• Если понизить температуру холодильника при неизменной температуре нагревателя, КПД идеальной тепловой машины увеличится: КПД связано с работой газа и количеством теплоты полученным газом за цикл, соотношением Таким образом, поскольку при понижении температуры холодильника количество теплоты, получаемое газом от нагревателя за цикл, не изменяется, заключаем, что работа газа за цикл увеличится. Отданное холодильнику количество теплоты можно найти из закона сохранения энергии: Так как после понижения температуры холодильника количество теплоты останется неизменным, а работа возрастет, количество теплоты отданное холодильнику за цикл работы, уменьшится.
• Ответ: 121.

РЕШАЕМ

• Тепловая машина с КПД 60% за цикл работы отдает холодильнику 100 Дж. Какое количество теплоты за цикл машина получает от нагревателя? (Ответ дайте в джоулях.)

• Температура нагревателя тепловой машины 900 К, температура холодильника на 300 К меньше, чем у нагревателя. Каков максимально возможный КПД машины? ( Ответ да йте в процентах, округлив до целых.)

РЕШАЕМ

• Тепловая машина с КПД 40% за цикл работы отдаёт холодильнику количество теплоты, равное 60 Дж. Какое количество теплоты машина получает за цикл от нагревателя? (Ответ дайте в джоулях.)

• Какую работу совершает газ при переходе из состояния 1 в состояние 3? (Ответ дайте в кДж.)