Газовые законы Назовите макропараметры Давление p Па Объем

Газовые законы

Назовите макропараметры Давление [p]=[Па] Объем [V]=[м³] Температура [Т]=[К]

Какое уравнение связывает макропараметры? p V = m M R T Уравнение Менделеева - Клайперона

Изопроцессы Изотермический Изохорический Изобарический Процесс, протекающий при постоянном макропараметре, называется изопроцессом

Закон Бойля-Мариотта (изотермический процесс) p. V=const при T=const Для газа данной массы произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется

Изотермический процесс (закон Бойля-Мариотта) – процесс изменения состояния определенной массы газы при постоянной температуре. При изотермическом процессе Т=const, m= const.

Изотермы P V 0 T TP

Закон Гей-Люссака (изобарный процесс) V/Т=const при р=const Для газа данной массы отношение объема к температуре постоянно, если давление газа не меняется

Изобарный процесс(закон Гей. Люссака) – процесс изменения состояния определенной массы газы при постоянном давлении. При изотермическом процессе p=const, m= const.

Изобары P V V 0 0 T P

Закон Шарля (изохорный процесс) p/Т=const при V=const Для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем газа не меняется

Изохорный процесс(закон Шарля) – процесс изменения состояния определенной массы газы при постоянном объеме. При изотермическом процессе V=const, m= const.

Изохоры

З А П О М Н и Изотермы Изобары Изохоры

Подписать графики p V 0 V Подписать графики 0 T ИЗОТЕРМА ИЗОБАРА ИЗОХОРА К содержанию

Изотермический Изобарный Определение Прарметры Закон График изменения макроскопических параметров ДАЛЕЕ Изохорный

Проверь свои знания Назовите процесс: 1) изотермическое сжатие 2) изохорное нагревание 3) изобарное нагревание 4) изотермическое расширение 5) изобарное сжатие 6) изохорное охлаждение 1 2 3 4 5 6

Выбери правильный ответ 1) 2) 3) 4) 5) 6) p=const T=const V=const V p T T p p T V p V V T 1 2 3 4 5 6

Задание на построение На рисунке дан график изменения состояния идеального газа в координатных осях V, T. Представьте этот процесс на графиках в координатных осях (p, V) и (p, T)

Задание на построение 1 -2 изобара V T 2 -3 -изотерма V p 3 -1 -изохора T p

Пр. 1 В цилиндре под поршнем находится воздух. Вес поршня Р=60 Н, площадь цилиндра S 0=20 см 2, атмосферное давление р0=105 Па. Груз какого веса надо положить на поршень, чтобы объем воздуха в цилиндре уменьшился в два раза? Трение не учитывайте, температура постоянна? P 0 ? Р ? S 0 ПУСК

Пр. 1 В цилиндре под поршнем находится воздух. Вес поршня Р=60 Н, площадь цилиндра S 0=20 см 2, атмосферное давление р0=105 Па. Груз какого веса надо положить на поршень, чтобы объем воздуха в цилиндре уменьшился в два раза? Трение не учитывайте, температура постоянна? 1 состояние газа m 1=m p 1=p 0+(P/S 0) 2 состояние газа m 2=m p 2=p 0+(P/S 0)+(P 1/S 0 V 2=V 1/2 T 2=T ) P 1 -? V 1 T 1=T

Пр. 1 1 состояние газа m 1=m p 1=p 0+(P/S 0) 2 состояние газа m 2=m p 2=p 0+(P/S 0)+(P 1/S 0 V 2=V 1/2 T 2=T ) P 1 -? V 1 T 1=T Решение: P/S 0 -давление поршня; P 1/S 0 -давление груза. Согласно закону Бойля-Мариотта p 1 V 1=p 2 V 2; (p 0+P/S 0)V 1=(p 0+P/S 0+P 1/S 0)(V 1/2). Отсюда P 1=p 0 S 0+P=260(Н). Ответ: P 1=260 Н.

Сколько циклов представлено P P 1 T 1 2 1 3 3 2 2 0 0 T V ОДИН 3 V

Из истории физики Шарль Одна из его заслуг – полет на воздушном шаре. Мариотт Он получил церковное образование, был игуменом монастыря. Мариотт Он писал, как можно при помощи барометра определить высоту местности. Бойль Одним из его ассистентов был Гук, впоследствии ставший знаменитым ученым. Гей-Люссак Ему принадлежат термины «пипетка» и «бюретка» , вошедшие в обиход.

Какое состояние больше

Решите задачу Объем и температура заданной массы разряженного газа уменьшились в 2 раза. Химический состав не изменился. Давление газа при этом увеличилось в 2 раза увеличилось в 4 раза уменьшилось в 2 раза уменьшилось в 4 раза не изменилось

Решите задачу Объем и давление заданной массы разряженного газа уменьшились в 2 раза. Температура газа при этом увеличилась в 2 раза увеличилась в 4 раза уменьшилась в 2 раза уменьшилась в 4 раза не изменилась

№ 1 Как изменится давление идеального газа при увеличении температуры и объема газа в 4 раза? ПУСК

№ 2 В одинаковых сосудах при одинаковой температуре находятся водород (Н 2) и углекислый газ (СО 2). Массы газов одинаковы. Какой из газов и во сколько раз оказывает большее давление на стенки сосуда? m(H 2) = m(CO 2)

№ 3 Какому процессу соответствует график, изображенный на рисунке? p 0 Т

№ 4 Во сколько раз изменится давление воздуха в цилиндре (рис), если поршень переместить на L/3 влево? L ПУСК

№ 5 Во сколько раз отличается плотность метана (СР 4) от плотности кислорода (О 2) при одинаковых условиях? ?

К содержанию

Общее понятие теплового двигателя n n 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. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами. n Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (ΔU = 0): A = Q.

Принцип действия n n Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д. ) работают циклически 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.

n n 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|.

Понятие КПД n n n При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (ΔU = 0). Согласно первому закону термодинамики, ΔU = Q – A = 0. Отсюда следует: A = 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:

Схема тепловой машины n Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η < 1). Энергетическая схема тепловой машины изображена на рис. n. Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; n 2 – холодильник; n 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Q 1 > 0, A > 0, Q 2 < 0; T 1 > T 2.

Примеры двигателей n n В применяемых в технике двигателях используются различные круговые процессы. На рис. изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Реальный коэффициент Циклы карбюраторного двигателя внутреннего полезного действия у карбюраторного двигателя сгорания (1) и дизельного двигателя (2). порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Цикл Карно n n В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот круговой процесс сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно. На диаграмме (p, V) работа равна площади цикла.

Принцип действия n Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1– 2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T 1. Газ изотермически расширяется, совершая работу A 12, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q 1 = A 12. Далее на адиабатическом участке (2– 3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A 23 > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T 2. На следующем изотермическом участке (3– 4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T 2 < T 1. Происходит процесс изотермического сжатия. Газ совершает работу A 34 < 0 и отдает тепло Q 2 < 0, равное произведенной работе A 34. Внутренняя энергия газа не изменяется. Наконец, на последнем участке адиабатического сжатия газ вновь помещается в адиабатическую оболочку. При сжатии температура газа повышается до значения T 1, газ совершает работу A 41 < 0. Полная работа A, совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках: A = A 12 + A 23 + A 34 + A 41.

Цикл Карно n С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя T 1 и холодильника T 2: КПД=Т 1 -Т 2/ Т 1 n Цикл Карно замечателен тем, что на всех его участках отсутствует соприкосновение тел с различными температурами. Любое состояние рабочего тела (газа) на цикле является квазиравновесным, т. е. бесконечно близким к состоянию теплового равновесия с окружающими телами (тепловыми резервуарами или термостатами). Цикл Карно исключает теплообмен при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы. Поэтому цикл Карно – наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при заданных температурах нагревателя и холодильника:

ü В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот круговой процесс сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно

Диаграмма кругового движения в машине Карно. Рис. 1 Цикл Карно

Идеальная тепловая машина. Цикл Карно (обратимый)

Идеальная тепловая машина. Цикл Карно (обратимый) n Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат. При этом цикле тепло, полученное системой (идеальным газом) наилучшим образом превращается в работу, т. е. работа, совершаемая за цикл максимальна. Рассчитаем коэффициент полезного действия цикла Карно.

Идеальная тепловая машина. Цикл Карно (обратимый) n n Находясь в контакте с нагревателем газ изотермически расширяется. При этом совершается максимальная работа в соответствии с первым началом термодинамики. Считаем теплоемкости нагревателя и холодильника бесконечно большими, т. е. при контакте с ними температура их не изменяется.

Идеальная тепловая машина. Цикл Карно (обратимый) n На участке АВ – изотермическое расширение при температуре Т 1 (процесс теплопередачи не происходит, т. к. нет разности температур, не происходит и передача тепла без совершения работы, т. е. процесс обратимый). Все тепло перейдет в работу

Идеальная тепловая машина. Цикл Карно (обратимый) n Полученное рабочим телом тепло нужно передать холодильнику. Если просто привести рабочее тело в соприкосновению с холодильником, начнется необратимый процесс теплопередачи. Поэтому тело необходимо охладить до температуры холодильника без затрат тепла, т. е. абиабатически.

Идеальная тепловая машина. Цикл Карно (обратимый) n n Адиабатическим расширением заканчивается первая половина цикла – совершение полезной работы. Теперь необходимо вернуть тело в исходное состояние. Температуру рабочего тела необходимо поднять до температуры нагревателя до приведения в контакт.

Идеальная тепловая машина. Цикл Карно (обратимый) n n Возвращение в т. А опять происходит в два этапа: сначала рабочее тело изотермически сжимают не прерывая контакта с холодильником, при этом холодильнику отдается тепло Q 2. Затем прерывают контакт тела с холодильником и адиабатно сжимают его, при этом температура повышается до температуры нагревателя. .

Работа и КПД цикла Карно Найдем полезную работу цикла Карно. Процесс А-В. Положительная работа, совершенная газом при изотермическом расширении одного моля газа от V 0 до V 1.

Работа и КПД цикла Карно Процесс В-С – адиабатическое расширение. При адиабатическом расширении теплообмен с окружающей средой отсутствует и работа расширения А 2 совершается за счет изменения внутренней энергии. n

Работа и КПД цикла Карно Процесс CD -изотермическое сжатие. На третьем этапе газ изотермически сжимается V 2 до V 3. Теплота Q 2, отданная газом холодильнику при изотермическом сжатии, равна работе сжатия А 3 – это работа совершаемая над газом: n

Работа и КПД цикла Карно n n Процесс D-А – адиабатическое сжатие. Работа, совершаемая при этом равна: А = А 1 + А 2 + А 3 + А 4 Общая работа за цикл:

Работа и КПД цикла Карно n Воспользуемся уравнением адиабаты для участков ВС и ДА

Работа и КПД цикла Карно n Введем обозначение n Получим:

Работа и КПД цикла Карно n Если вернуться к рассмотренным изотермическим процессам, то очевидно, что n Окончательно, полезная работа за цикл равна Коэффициент полезного действия цикла n

Реактивный двигатель n

АЭС n Турбина атомной электростанции является тепловой машиной, определяющей в соответствии со вторым законом термодинамики общую эффективность станции. У современных атомных электростанций коэффициент полезного действия приблизительно равен 1/3. Следовательно, для производства 1000 МВт электрической мощности тепловая мощность реактора должна достигать 3000 МВт. 2000 МВт должны уносится водой, охлаждающей конденсатор. Это приводит к локальному перегреву естественных водоемов и последующему возникновению экологических проблем.

Холодильная машина n n Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной. В реальных холодильных машинах используются различные циклические процессы. Все холодильные циклы на Энергетическая схема холодильной машины. Q 1 < 0, A < 0, Q 2 > 0, T 1 > T 2. диаграмме (p, V) обходятся против часовой стрелки.

Тепловой насос Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла |Q 1| нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом. Эффективность βТ теплового насоса может быть n определена как отношение n n βТ= |Q | / |A|, 1 т. е. количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует: |Q 1| > |A|, следовательно, βТ всегда больше единицы.

Необратимость процессов Согласно первому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Процессы, нарушающие первый закон термодинамики, никогда не наблюдались. На рис. изображены Циклически работающие тепловые машины, устройства, запрещенные запрещаемые первым законом термодинамики: 1 – вечный двигатель 1 рода, первым законом совершающий работу без потребления энергии извне; термодинамики. n 2 – тепловая машина с коэффициентом полезного действия η > 1.

Законы тепловой машины n n В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара. Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой.

Теорема Карно n n 1. 2. Общим свойством всех необратимых процессов является то, что они протекают в термодинамически неравновесной системе и в результате этих процессов замкнутая система приближается к состоянию термодинамического равновесия На основании любой из формулировок второго закона термодинамики могут быть доказаны следующие утверждения, которые называются теоремами Карно: Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей при данных значениях температур нагревателя и холодильника, не может быть больше, чем коэффициент полезного действия машины, работающей по обратимому циклу Карно при тех же значениях температур нагревателя и холодильника. Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по циклу Карно, не зависит от рода рабочего тела, а только от температур нагревателя и холодильника.

Гипотезы… n Гипотетическую тепловую машину, в которой мог бы происходить такой процесс, называют «вечным двигателем второго рода» . В земных условиях такая машина могла бы отбирать тепловую энергию, например, у Мирового океана и полностью превращать ее в работу. Масса воды в Мировом океане составляет примерно 1021 кг, и при ее охлаждении на один градус выделилось бы огромное количество энергии (≈ 1024 Дж), эквивалентное полному сжиганию 1017 кг угля. Ежегодно вырабатываемая на Земле энергия приблизительно в 10 4 раз меньше. Поэтому «вечный двигатель второго рода» был бы для человечества не менее привлекателен, чем «вечный двигатель первого рода» , запрещенный первым законом термодинамики.

Использование реактивных двигателей n Ракета АЭС

Примеры ДВС