Тепловая машина. К. п. д. тепловой машины

Термодинамика как наука развилась в начале XIX века из необходимости объяснить работу тепловых машин. Термодинамические расчеты необходимы при конструировании любых машин, способных производить работу. Тепловой машиной называется устройство, использующее тепловую энергию для совершения механической работы. В этом смысле и паровой двигатель, и атомный реактор эквивалентны. Тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и охладителя рабочего тела. Охладителем, в конечном счете, служит окружающая среда. Тепловая машина работает по принципу замкнутого цикла, совершая круговой процесс. В ходе прямого цикла рабочее тело, например, пар, получив от нагревателя количество тепла Q₁, расширяется от объема V₁ до объема V₃. Согласно первому закону термодинамики, это тепло расходуется на нагревание рабочего тела и на совершение механической работы Q₁ = E₂ ‑ E₁ + A_13, где E₂ ‑ E₁ – изменение внутренней энергии рабочего тела при переходе из состояния 1 в состояние 3. При обратном цикле над газом производится работа: газ сжимается и передает охладителю количество тепла‑ Q₂ = E₁ ‑ E₂ + A₃₁. Складывая оба уравнения, получим Q₁ ‑ Q₂ = A₁₃ + A₃₁ = A, где А – полная работа, совершенная машиной за один цикл.

Отношение полезной работы, совершенной машиной, к количеству полученного тепла составляет КПД тепловой машины .Понятно, что КПД машины всегда меньше единицы, поскольку не все количество полученного тепла переходит в полезную работу. В реальных тепловых машинах КПД, очевидно, еще меньше, так как часть тепла теряется безвозвратно в процессе работы машины. Для получения максимального КПД следует рассмотреть рабочий цикл, образованный обратимыми процессами.

 

Понятие об энтропии

Мы убедились, что КПД необратимого кругового процесса всегда меньше, чем КПД при обратимом цикле. Этот результат можно сформулировать в следующем виде:

.Знак равенства соответствует случаю обратимых процессов. Отсюда нетрудно получить соотношение, которое играет важную роль в термодинамике: .Величина называется энтропией. Она, как видно из полученного соотношения, остается неизменной при обратимом процессе и возрастает, если термодинамический процесс необратим. Энтропия – важная термодинамическая характеристика системы, такая же, как, например, внутренняя энергия. Утверждение, что при необратимых процессах энтропия замкнутой системы возрастает, составляет содержание второго начала термодинамики. Возрастание энтропии системы при необратимом процессе выражает тот факт, что тепло само по себе не может переходить от менее нагретых к более нагретым телам. Последнее утверждение можно рассматривать также как формулировку второго начала термодинамики.Поскольку КПД реальной тепловой машины всегда меньше, чем КПД идеальной машины (работающей по циклу Карно), становится очевидной невозможность создания так называемого вечного двигателя второго рода – устройства, осуществляющего круговорот тепла в природе и одновременно превращающего все полученное тепло в механическую работу. Поскольку энтропия остается постоянной при обратимом характере процесса и возрастает при необратимых процессах, энтропию рассматривают как меру необратимости термодинамического процесса. В состоянии термодинамического равновесия энтропия системы максимальна. Свойства энтропии: энтропия изолированной системы при протекании необратимого процесса возрастает; энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна.

Утверждение о том, что энтропия изолированной системы может только возрастать (либо по достижении максимального значения оставаться неизменной), носит название закона возрастания энтропии или второго начала термодинамики. Иначе можно сказать, что энтропия изолированной системы не может убывать. Итак, при протекании в изолированной системе необратимого процесса энтропия возрастает, т. е. выполняется соотношение dS > 0.В общем случае dS ³0.

 

Вопросы для самоконтроля:

1) Что определяет первый и второй законы термодинамики?

2) Сформулируйте второй законы термодинамики, эквивалентный закону возрастания энтропии?

3) Дать формулировку тепловой машине?

4) Из чего состоит Цикл Карно?

5) Понятие энтропия?

 

Список литературы

Основная

1.Рогачев, Н.М. Курс физики. Учебное пособие/ Н.М. Рогачев. – С.-Петербург: Издательство «Лань», 2010 г. - 448 с.

 

Дополнительная

1. Грабовский, Р.И. Курс физики. 6-е изд. / Р. И. Грабовский. – СПБ.: Издательство «Лань», 2002. – 608 с

Лекция 9

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

 

Электрический заряд

Электростатика – раздел учения об электричестве, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов и свойства постоянного электрического поля.

Электрический заряд – это внутреннее свойство тел или частиц, характеризующее их способность к электромагнитным взаимодействиям. Единица электрического заряда – кулон (Кл) –электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 ампер за время 1секунда. Существует элементарный (минимальный) электрический заряд e = 1,6.10-¹⁹ Кл. Носитель элементарного отрицательного заряда – электрон. Его масса m_e=9,1110-³¹ кг. Носитель элементарного положительного заряда – протон. Его масса m_p=1,67-10^–27 кг.

Фундаментальные свойства электрического заряда установленные опытным путем: существует в двух видах: положительный и отрицательный; одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются; электрический заряд инвариантен – его величина не зависит от системы отсчета, т.е. от того, движется он или покоится; электрический заряд дискретен – заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда e; электрический заряд аддитивен – заряд любой системы тел (частиц) равен сумме зарядов тел (частиц), входящих в систему; электрический заряд подчиняется закону сохранения заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы остается неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри данной системы. Под замкнутой системой в данном случае понимают систему, которая не обменивается зарядами с внешними телами. В электростатике используется физическая модель – точечный электрический заряд – заряженное тело, форма и размеры которого несущественны в данной задаче.

Закон сохранения электрических зарядов в замкнутой системе: Q = = const

Дискретность электрических зарядов: Q = ne, где = 1, 2... е = ± 1,6 10-19 Кл – элементарный электрический заряд

Закон Кулона в векторной форме: , в скалярной форме: , где F12 - сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме; r - расстояние между зарядами; ε0 = 8,85·10-12 Ф·/м – электрическая постоянная

Линейная плотность зарядов: Поверхностная плотность зарядов: Объемная плотность зарядов: