теплова машина

Машиною називається періодичний діючий механізм, який, пройшовши ряд термодинамічних станів, повертається в початковий стан і цей процес повторюється.

Розглянемо пристрій і роботу теплової машини, винайденої французьким фізиком Карно.

За допомогою своєї теплової машини Карно провів найважливіший досвід, який ліг в основу другого початку термодинаміки. Для проведення свого досвіду Карно використовував циліндричний посудину з нетеплопровідного стінками і з теплопровідність дном, уклавши в цю посудину один моль газу. Усередині стінок посудини переміщався поршень, який давав газу можливість змінювати свій обсяг. У процесі проведення експерименту в системі, винайденої Карно, протікало 4 процесу: ізотермічний розширення, адіабатичне розширення, ізотермічний стиск, адіабатичне стиснення. Графіки цих процесів представлені на малюнку 33.

Розглянемо роботу ідеальної теплової машини, як робоче тіло в якій використовується один моль ідеального газу (рис.33)

1. Газ в стислому стані. Поршень в положенні j. Забезпечується ізотермічний розширення. Дно стикається з нагрівачем.
2. Газ розширюється до стану k (P2 V2 T1), а потім, адиабатически, до стану l (P3 V3 T2). Здійснюючи роботу газ охолоне, тому Т2 <Т1

3 .Для завершення циклу газ повертається в початковий стан за рахунок зовнішніх сил - ізотермічні до стану m.

4. Далі газ адіабатично повертається в стан j.

В результаті циклу, газ, отримавши кількість теплоти Q1 від нагрівача, і, передавши частину тепла Q2 холодильника, скоїв зовнішню роботу.

Виникає питання - чи можливий перехід системи в первісний стан без участі холодильника. Очевидно, що ні. Проведений Карно досвід ліг в основу другого початку термодинаміки.

Другий закон термодинаміки - неможливий такий періодично діючий механізм, який би все передане йому тепло перекладав би в роботу. Частина тепла повинна бути віддана холодильнику.

Теплова машина складається з нагрівача, холодильника і робочого тіла (рис.34)

Нагрівач передає робочому тілу кількість теплоти. Робоче тіло здійснює роботу, рівну різниці кількості теплоти, переданого від нагрівача робочому тілу, і кількості теплоти, отриманого холодильником від робочого тіла. За таким же принципом, але зі зворотним циклом Карно, працює холодильна машина.

Теплові машини завдяки тертю і неминучим теплових втрат мають невеликий коефіцієнт корисної дії (наприклад ККД двигуна внутрішнього згоряння становить 45%).

Ентропія - математична абстракція вводиться, як міра безладу в системі і для опису термодинамічних процесів.

1. Ентропія системи декількох тіл дорівнює сумі ентропії цих тіл.

2. При оборотних процесах ентропія незмінна, при незворотних - зростає.

3. Ентропія ізольованої системи не змінюється ні за яких процесах.

Питання для самоконтролю.

1. Записати рівняння для роботи при ізотермічному процесі.

2. Що називається тепловою машиною?

3. Сформулювати другий початок термодинаміки?

4. Що називають ентропією?

5. Властивості ентропії.

6. У чому полягає цикл Карно?

7. Чому дорівнює ККД теплової машини?

8. Що називається числом ступенів свободи?

9. Що називається внутрішньої енергії тіла?

10. Від чого залежить питома теплоємність газів?

11. У чому полягає фізичний зміст універсальної газової постійної?

13. Який процес називається термодинамічним?

14. Сформулювати перший початок термодинаміки.