Лекция 10 Циклы Круговым процессом циклом

Лекция 10

§§ Циклы Круговым процессом (циклом) называется процесс, при котором система, пройдя ряд состояний, возвращается в начальное состояние A > 0 – прямой цикл Работа совершается системой за счет подводимого тепла Q (тепловой двигатель) 02

A < 0 – обратный цикл Работа совершается над системой (холодильная машина) Происходит превращение работы в теплоту, т. к. выходит энергии больше, чем входит. ∫ (L) (в каждой точке цикла выполняется УС) 03

§§ КПД цикла Тепловая машина термодинамически действующее устройство, совершающее работу за счет подводимого из вне тепла Элементы тепловой машины 1) нагреватель тела с очень большой 2) рабочее тело теплоемкостью 3) холодильник 04

Для кругового процесса ∫ ∫ т. е. работа совершается за счет поступающей энергии На участке цикла рабочее тело может получать энергию: и отдавать: 05

Пусть Q 1 – количество энергии, полученное системой от нагревателя Q 2 – количество энергии, отданное холодильнику Тогда эффективность машины (КПД): 06

Существует бесконечное множество циклов и у каждого свой КПД. В механике циклы используют для преобразования энергии (превращения теплоты в работу). На практике используется всего несколько десятков циклов. 07

§§ Цикл Карно Рассмотрим наиболее эффективный цикл, состоящий из двух изотерм T 1 и T 2 и двух адиабат Вычислим работу тела за цикл: 08

1→ 2 – изотермическое расширение – за счет нагревателя 2→ 3 – адиабатическое расширение – за счет 09

Аналогично следовательно 10

Работа за цикл Вычислим КПД: 11

Теорема Карно–Клаузиуса КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур T 1 и T 2 нагревателя и холодильника, но не зависит от устройства машины и вида рабочего тела Теорема Карно (2) КПД всякой ТМ не может превосходить КПД идеальной ТМ, работающей по циклу Карно, с теми же самыми температурами нагревателя и холодильника 12

§§ Обратимые процессы Обратимым называется процесс, для которого возможен обратный переход из конечного состояния в начальное через те же промежуточные состояния, что и в прямом процессе или если систему можно вернуть в исходное состояние хотя бы одним способом и притом так, чтобы состояние тел вне системы осталось неизменным. 13

Процесс – равновесный, если система проходит ряд непрерывно следующих друг за другом равновесных состояний Условия равновесности: 1) непрерывность всех величин, характеризующих процесс 2) бесконечно малая скорость изменений в системе Необходимое и достаточное условие обратимости – равновесность. 14

Пример: Рассмотрим сосуд, стенки которого тепло не проводят. Снимая грузы, переведем систему из состояния A в состояние B. 15

Все реальные процессы протекают с конечной скоростью и являются необратимыми и неравновесными. При любом возмущении в системе требуется время для установления равновесия. Это приводит к тому, что в обратном процессе газ совершит большую работу, чем в прямом. 16

§§ Неравенство Клаузиуса Сравним КПД неравновесной и равновесной машины, работающей по циклу Карно: приведенная теплота ∫ – неравенство Клаузиуса 17

§§ Энтропия идеального газа I-е начало в дифференциальной форме функция состояния полный дифференциал бесконечно малое приращение (Q – не функция состояния, как и Разделим на A) T левую и правую части: 18

Из уравнения М–К: Получаем 19

Левая часть – полный дифференциал, тогда правая часть – дифференциал новой функции состояния S – энтропия Это выражение справедливо только для равновесных (обратимых) процессов. Оно позволяет вычислить разность S, но не абсолютное значение. 20

§§ Основное уравнение ТД Согласно первому началу и для равновесного процесса получаем основное уравнение термодинамики Оно справедливо при химических реакциях и при фазовых переходах. В физике имеет множество следствий. 21

§§ Физический смысл S Рассмотрим идеальный газ, ν = 1 моль, в объеме V. Разделим весь объем ячейками размером – средняя длина свободного пробега N – число ячеек NA – число занятых ячеек (NA << N) 22

Вычислим Г – число микросостояний, которое может реализоваться в системе Оно равно числу способов размещения NA молекул по N ячейкам: Формула Стирлинга: ≈ 23

≈ Следовательно, при T = const 24

и const часто полагают равной нулю и считают, что энтропия пропорциональна логарифму числа пространственных микросостояний Энтропия является мерой беспорядка (разупорядочения) в системе. 25

§§ II-е начало термодинамики Система, предоставленная самой себе, приходит к равновесному состоянию, т. е. энтропия не уменьшается в предоставленной самой себе системе. I-е начало говорит о соотношении между величинами, характеризующими систему II-е начало указывает направление изменений в системе, если они должны произойти. 26

Пусть замкнутая система переходит из состояния 1 в состояние 2. Возвратим систему в состояние 1 с помощью обратимого процесса т. к. система изолирована 27

Следовательно, При переходе замкнутой системы из состояния 1 (с S 1) в 2 (с S 2), энтропия либо увеличивается, либо не изменяется Замечание: о «тепловой смерти» Клаузиус, рассматривая Вселенную как замкнутую систему, утверждал: «энтропия Вселенной стремится к максимуму» 28

§§ Тепловая теорема Нернста Первое утверждение При приближении к абсолютному нулю энтропия стремится к определенному конечному пределу – т. е. этот интеграл сходится. 29

Второе утверждение Все процессы при абсолютном нуле температур, переводящие систему из одного равновесного состояния в другое, происходят без изменения энтропии Классическое описание системы при абсолютном нуле неприменимо, т. к. оно допускает бесконечное множество состояний. Необходимо рассмотрение с квантовых позиций. 30

Список вопросов к экзамену по физике Семестр 1 « Механика. Молекулярная физика и термодинамика » §§ Кинематика материальной точки 1. Система отсчета. Радиус-вектор материальной точки, скорость и ускорение м. т. при криволинейном движении. 2. Движение материальной точки по окружности. 3. Нормальное и тангенциальное ускорение. Радиус кривизны траектории. §§ Динамика материальной точки 4. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Закон сложения скоростей. 5. Второй закон Ньютона. Масса. Сила. Импульс материальной точки и системы м. т. Принцип суперпозиции сил. 6. Третий закон Ньютона. Внешние и внутренние силы. Закон сохранения импульса. 7. Центр масс. Теорема о движении центра масс. 8. Гравитационное и кулоновское взаимодействие. Сила упругости. Сила трения и сопротивления. 9. Реактивное движение. Уравнение Мещерского. Формула Циолковского. §§ Работа и энергия 10. Работа и мощность силы. 11. Кинетическая энергия. 12. Работа постоянной и центральной силы. Консервативные и неконсервативные силы. 13. Потенциальная энергия. 14. Закон сохранения энергии в механике и физике. 15. Силовое поле. §§ Механика абсолютно твердого тела 16. Виды движения абсолютно твердого тела. Мгновенная ось вращения. 17. Момент силы и момент импульса относительно неподвижного начала. 18. Момент силы и момент импульса относительно неподвижной оси. 19. Уравнение динамики вращательного движения системы материальных точек. 20. Момент инерции твердого тела. Моменты инерции простейших тел. Теорема Гюйгенса–Штейнера. 21. Работа внешних сил и кинетическая энергия при вращении твердого тела. §§ Колебания и волны 22. Уравнение гармонических колебаний и его решение.