Тепловые машины

Газы и тепловые машины

Лицей "********"

11 класс

Реферат по физике на тему:

 

Тепловые машины.

 

Докладчик: ************ ******* ********

Преподаватель: ******* ******* *************

 

Москва 1998

План:

1. Закон идеального газа.
2. Первое начало термодинамики. Адиабатический процесс.
3. Второе начало термодинамики.
4. Принцип действия тепловых машин.
5. КПД тепловых двигателей и второе начало термодинамики.
6. Уравнение Ван-дер-Ваальса.

 

Закон идеального газа.

Экспериментальный:

О сновными параметрами газа являются температура, давление и объём. Объем газа существенно зависит от давления и температуры газа. Поэтому необходимо найти соотношение между объемом, давлением и температурой газа. Такое соотношение называется уравнением состояния.

Экспериментально было обнаружено, что для данного количества газа в хорошем приближении выполняется  соотношение: при постоянной температуре объем газа обратно пропорционален приложенному к нему давлению (рис.1):

V~1/P , при T=const.

 

Н апример, если давление, действующее на газ, увеличится вдвое, то объем уменьшится до половины первоначального. Это соотношение известно как закон Бойля (1627-1691)-Мариотта(1620-1684), его можно записать и так:

PV=const.

Это означает, что при  изменении одной из величин, другая также изменится, причем так, что  их произведение останется постоянным.

Зависимость объема от температуры (рис.2) была открыта Ж. Гей-Люссаком. Он обнаружил, что при постоянном давлении объем данного количества газа прямо пропорционален температуре:

V~T , при Р=const.

Г рафик этой зависимости проходит через начало координат и, соответственно, при 0К его объём станет равный нулю, что очевидно не имеет физического смысла. Это привело к предположению, что -273⁰С минимальная температура, которую можно достичь.

Третий газовый закон, известный как закон Шарля, названный в честь Жака Шарля (1746-1823). Этот закон гласит: при постоянном объеме давление газа прямо пропорционально абсолютной температуре (рис.3):

Р~T, при V=const.

Хорошо известным примером действия этого закона является баллончик  аэрозоля, который взрывается в костре. Это происходит из-за резкого повышения  температуры при постоянном объеме.

Эти три закона являются экспериментальными, хорошо выполняющимися в реальных газах только до тех  пор, пока давление и плотность не очень велики, а температура не слишком близка к температуре  конденсации газа, поэтому слово "закон" не очень подходит к  этим свойствам газов, но оно стало  общепринятым.

Газовые законы Бойля-Мариотта, Шарля и Гей-Люссака можно объеденить в одно более общее соотношение  между объёмом, давлением и температурой, которое справедливо для определенного  количества газа:

PV~T

Это показывает, что при  изменении одной из величин P, V или  Т, изменятся и две другие величины. Это выражение переходит в  эти три закона, при принятии одной  величины постоянной.

Теперь следует учесть ещё одну величину, которую до сих  пор мы считали постоянной - количество этого газа. Экспериментально подтверждено, что: при постоянных температуре и давлении замкнутый объём газа увеличивается прямо пропорционально массе этого газа:

PV~mT

Эта зависимость связывает  все основные величины газа. Если ввести в эту пропорциональность коэффициент  пропорциональности, то мы получим  равенство. Однако опыты показывают, что в разных газах этот коэффициент  разный, поэтому вместо массы m вводят количество вещества n (число молей).

В результате получаем:

PV=nRT

(1)

 

, где n - число молей,  а R - коэффициент пропорциональности. Величина R называется универсальной газовой постоянной. На сегодняшний день самое точное значение этой величины равно:

R=8,31441 ± 0,00026 Дж/Моль

Равенство (1) называют уравнением состояния идеального газа или законом идеального газа.

 

Число Авогадро; закон идеального газа на молекулярном уровне:

То, что постоянная R имеет  одно и то же значение для всех газов, представляет собой великолепное отражение  простоты природы. Это впервые, хотя и в несколько другой форме, осознал  итальянец Амедео Авогадро (1776-1856). Он опытным путём установил, что равные объёмы объемы газа при одинаковых давлении и температуре содержат одинаковое число молекул. Во-первых: из уравнения (1) видно, что если различные газы содержат равное число молей, имеют одинаковые давления и температуры, то при условии постоянного R они занимают равные объёмы. Во-вторых: число молекул в одном моле для всех газов одинаково, что непосредственно следует из определения моля. Поэтому мы можем утверждать, что величина R постоянна для всех газов.

Число молекул в одном  моле называется числом Авогадро N_A. В настоящее время установлено, что число Авогадро равно:

N_A=(6,022045±0,000031)·10^-23 моль^-1

Поскольку общее число  молекул N газа равно числу молекул  в одном моле, умноженному на число  молей (N=nN_A), закон идеального газа можно переписать следующим образом:

PV=nRT=N/N_ART

или

PV=NkT

(2)

, где k называется постоянной Больцмана и имеет значение равное:

k= R/N_A=(1,380662±0,000044) ·10^-23 Дж/К

 

Первое начало термодинамики. Адиабатический процесс.

Внутренняя энергия газа - это сумма кинетической и потенциальной  энергии всех молекул этого газа. Очевидно, что внутренняя энергия  газа должна увеличиваться либо за счет совершения над газом работы, либо путем сообщения ему некоторого количества теплоты. И наоборот, если газ совершает работу над внешними телами или тепловой поток направлен  из газовой системы, то энергия этой системы должна уменьшаться.

В результате опытов Джоуля (как и многих других) был сформулирован  закон, согласно которому изменение  внутренней энергии (DU) замкнутой системы можно записать в следующем виде:

(DU)=Q- W

(3)

, где Q-количество теплоты,  сообщенное системе, а W-работа  совершаемая системой.

Выражение (3) известно как первое начало термодинамики. Поскольку теплота Q и работа W выражают способы передачи энергии в систему или из неё, внутренняя энергия изменяется в соответствии с ними. Таким образом первое начало термодинамики является попросту формулировкой закона сохранения энергии.

Уравнение (3) применимо как  к замкнутым системам, так и  к не замкнутым, если учесть изменение  энергии вследствие изменения количества вещества в данной системе.

При переходе системы из одного состояния в другое (1 в 2) количество теплоты Q, сообщённое системе, и работа W, совершённая системой, зависят  от конкретного процесса (или пути), в котором участвовала система. И для разных процессов эти  величины различны, даже если начальные  и конечные состояния системы  одинаковы. Однако эксперименты показали, что при одинаковых начальном  и конечном состояниях разность Q-W одинакова  для всех процессов, переводящих  систему из одного состояния в  другое.

Адиабатическим  называется процесс, при котором  от системы не отбирается и не сообщается энергии. Такой процесс может происходить, если система изолирована или протекает столь быстро, что теплообмен практически не происходит. Примером процесса, очень близкого к адиабатическому, является расширение газов в двигателях внутреннего сгорания.

При медленном адиабатическом расширении из уравнения (3) следует (так  как Q=0 (по определению адиабатического  процесса)):

(DU)=- W

(4)

 

т.е. внутренняя энергия системы  убывает, и поэтому температура  понижается.

Соответственно при адиабатическом сжатии внутренняя энергия повышается и, следовательно, температура повышается. Например в двигателе Дизеля объем  быстро уменьшается, и поэтому температура  увеличивается, а впрыскиваемая  смесь из-за высокой температуры  воспламеняется.

 

Второе начало термодинамики.

Мы можем представить  себе множество процессов подтверждающих первое начало термодинамики. Также  можно представить много процессов, которые согласуются с законом  сохранения энергии, но при этом почему-то не встречающихся в природе. Например: рассмотрим, что происходит с камнем, после броска. По мере его падения  его начальная потенциальная  энергия переходит в кинетическую. Когда же камень соприкасается с  землёй, его кинетическая энергия  переходит во внутреннюю энергию  камня и земли. Однако никто из нас никогда не наблюдал, что бы внутренняя энергия вдруг перешла  в кинетическую и камень самопроизвольно  взлетел. Этот процесс не приводит к  нарушению первого начала термодинамики. Для того что бы объяснить отсутствие обратимости аналогичных процессов, во второй половине XIX века ученые пришли к формулировке второго начала термодинамики.

Одна из его формулировок, принадлежащая Р. Ю. Э. Клаузису (1822-1888), гласит, что теплота в естественных условиях переходит от горячего тела к холодному, в то время как от холодного к горячему теплота сама по себе не переходит. Эта формулировка относится к определенному процессу и не вполне ясно, каким образом её отнести к иным процессам. Более общая формулировка второго начала термодинамики, в которой явным образом учтены и возможности других процессов, была сформирована в ходе изучения тепловых двигателей.

 

Принцип действия тепловых машин.

Достаточно несложно получить тепловую энергию за счет работы, например достаточно потереть два предмета друг о друга и выделится тепловая энергия. Однако получить механическую работу за счет тепловой энергии гораздо  труднее, и практически полезное устройство для этого было изобретено лишь около 1700 г.

Тепловой двигатель - это любое устройство, преобразующее  тепловую энергию в механическую работу.

О сновная идея лежащая в основе любого теплового двигателя, состоит в следующем: механическая энергия может быть получена за счет тепловой, только если дать возможность тепловой энергии переходить из области с высокой температурой в область с низкой температурой, причем в процессе этого перехода часть тепловой энергии может перейти в механическую работу.

В настоящее время используется множество тепловых машин. Рассмотрим два тепловых двигателя - это паровой  и внутреннего сгорания.

В  
основном используется два паровых двигателя: возвратного типа и паровая турбина.

В двигателях возвратного  типа (рис.4) нагретый пар проходит через  впускной клапан и затем расширяется  в пространстве под поршнем, вынуждая его тем самым двигаться. Затем, когда поршень возвращается в  исходное положение, он вытесняет пар  через выпускной клапан.

В паровых турбинах по существу происходит тоже самое. Различие состоит  в том, что возвратно-поступательный поршень заменен турбиной (рис.5), напоминающей гребное колесо.

Н  
аиболее распространенным двигателем сейчас является четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания (рис.6).

На рисунке 6 буквами обозначены следующие процессы:

а. Смесь воздуха с бензином всасывается в цилиндр, при движении поршня вниз.

б. Поршень движется вверх  и сжимает смесь.

в. Искра от свечи воспламеняет смесь. При этом температура смеси  резко возрастает.

г. Газы, находящиеся при  высоких температуре и давлении, расширяются, перемещая при этом поршень вниз (рабочий ход двигателя).

д. Отработавшие газы выбрасываются  через выпускной клапан; затем  весь цикл повторяется.

Вещество, которое нагревают  и охлаждают (в паровых машинах - пар), называют рабочим телом.

Для практической работы любого теплового двигателя необходима разность температур. Почему? Что бы ответить на этот вопрос представим себе паровую машину (как на рис.4), но без  конденсатора и насоса. В таком  случае пар имел бы одинаковую температуру  во всей системе. Это означало бы, что  давление пара при его выпуске  было бы таким же, как и при  впуске. Тогда работа, которую совершил пар над поршнем при своем  расширении, в точности была бы равна  работе, которую совершил поршень  над паром при его выпуске, то есть не было бы совершено никакой  результирующей работы. В реальном двигателе выпускаемый газ охлаждается  до более низкой температуры и  конденсируется, так что давление при выпуске меньше, чем при  впуске. В таком случае работа, которую  должен совершить поршень для  выталкивания газа из цилиндра, будет  меньше, чем работа совершаемая газом  работа над цилиндром. Таким образом  может быт получена результирующая работа. Аналогично и с паровой  турбиной: если бы не было разности давлений по обе стороны лопаток, то турбина  не стала бы вращаться.

В паровых двигателях разность температур достигается за счет сжигания топлива, при этом нагревается пар. В двигателе внутреннего сгорания за счет сгорания рабочей смеси внутри цилиндра двигателя.

Принцип действия холодильника или теплового насоса состоит  в обращении рабочих стадий теплового  двигателя.

 

Работа обычно совершается  мотором компрессора (рис.7).

В обычном холодильнике цикл состоит из нескольких стадий:

а. Пар сжимается компрессором, нагреваясь при этом.

б. Нагретый пар поступает  в конденсатор образуется горячая  жидкость.

в. Через расширительный клапан горячая жидкость поступает  в теплообменник, где испаряясь  охлаждается.