Инструменты пользователя

Инструменты сайта


Боковая панель


Геометрия ( Справочник )
Стереометрия ( Справочник )
Математика ( Справочник )
Русский язык ( Справочник )
Физика ( Справочник )


Физика:

Лекции по физике для 9кл

0.Основные единицы СИ:
   Основные физические величины
   Основные физические константы
   Десятичные приставки СИ
   Соотношения между единицами

1.Кинематика:
   Равномерное движение
   Равноускоренное движение
   Свободное падение
   Относительное движение
   Кинематика вращательного движения тела и точки
   Преобразование движений
   ✘ Кинематика в опытах

2.Статика:
   Уравнения равновесия
   Сила упругости пружины
   Равнодействующая. Теорема о трёх силах
   Силы трения
   Гидростатика. Давление
   Гидростатика. Сила Архимеда
   Статика в опытах

3.Динамика ✘:
   Законы Ньютона
   Движение с учетом силы трения
   Движение в поле тяготения
   Закон сохранения импульса
   Работа. Мощность. Закон сохранения механической энергии
   Механические колебания и волны
   ✘ Динамика в опытах

4.Молекулярная физика:
   Теплообмен
      Тепловые машины. Цикл Карно
   Молекулярно-кинетическая теория (МКТ)
   Уравнения Менделеева-Клапейрона
   Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность
   Изотерма. Изобара. Изохора. Газовые законы
   I закон термодинамики
   Смешанные задачи ✘
   Молекулярная физика в опытах

5.Электричество:
   Электростатика
   Конденсаторы
   Постоянный ток
      Переменный ток
   Магнитное поле
   Электромагнитная индукция
   Электромагнитные колебания и волны
   Электричество в опытах
Оптика
   Оптика в опытах (Много видео!)

6.Квантовая физика и элементы СТО ✘:
   Корпускулярно-волновой дуализм
   Физика атома и атомного ядра
   Элементы СТО
   ✘ СТО в опытах

*.Дополнительно:
   Занимательная физика в опытах и экспериментах


Контакты

subjects:physics:тепловые_машины

Тепловые машины. Цикл Карно

В современной технике механическую энергию получают главным образом за счёт внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями.

Примеры тепловых двигателей

КПД тепловой машины

Работа, совершаемая тепловой машиной, не может быть больше: $A = Q_{1} - |Q_{2}|$, т.к. рабочее тело, получая некоторое количество теплоты ($Q_{1}$) от нагревателя, часть этого количества теплоты (по модулю равную $|Q_{2}|$) отдаёт холодильнику. Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия $\eta$ тепловой машины.

Коэффициент полезного действия любой тепловой машины считается по формуле: $$\eta = \frac{A}{Q_{1}}=\frac{Q_{1}-|Q_{2}|}{Q_{1}} = 1 - \frac{|Q_{2}|}{Q_{1}}$$

Для увеличения КПД, при расширении или сжатии газа должны быть использованы процессы, позволяющие исключить уменьшение энергии горячего тела, которое происходило бы без совершения работы. Такие процессы существуют — это изотермический и адиабатный процесс.

Цикл Карно

Сади Карно искал пути решения актуальной для его времени задачи — установить причину несовершенства тепловых машин, найти пути наиболее эффективного их использования. Именно он, впервые предложил наиболее совершенный технический процесс, состоящий из изотерм и адиабат.

Схема цикла Карно

Схема цикла Карно

Прямой цикл Карно. Исходным состоянием рабочего тела двигателя является состояние точки 4. На участке 4—1 цикла рабочее тело сжимается адиабатически, т. е. без потерь теплоты. В точке 1 к нему начинают изотермически подводить теплоту $Q_{1}$ от высокотемпературного источника, в результате чего рабочее тело расширяется по линии 1—2. На участке 2—3 расширение рабочего тела продолжается уже без подвода теплоты, т. е. адиабатически. На участке 3—4 от рабочего тела с помощью источника низкой температуры отбирается теплота $Q_{2}$. В двигателях, работающих по разомкнутому циклу, когда теплоноситель в каждом цикле работы обновляется, процесс охлаждения заменяется процессом обновления теплоносителя.

Линия Состояние Описание
1-2 Изотерма
$T=T_{1}$
$dQ_{1}$
(нагревание)
$V\Uparrow$
От нагревателя поступает теплота $dQ_{1}$ (или $Q_{H}$), газ под поршнем изотермически расширяется.В начале процесса рабочее тело (газ) имеет температуру температуру нагревателя ($T_{H}$ или $T_{1}$). Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты $Q_{H}$ (или $Q_{1}$).
При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.
2-3 Адиабата

$dQ=0$
$V\Uparrow$
Газ изолирован от нагревателя и холодильника и адиабатически расширяется.Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой.
При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника ($T_{X}$ или $T_{2}$), тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.
3-4 Изотерма
$T=T_{2}$
$dQ_{2}$
(охлаждение)
$V\Downarrow$
Газ изотермически (при $T = T_{2}$) сжимается и отдает теплоту $dQ_{2}$ холодильнику.Рабочее тело, имеющее температуру холодильника ($T_{X}$ или $T_{2}$), приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты $Q_{X}$ (или $Q_{2}$).
Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.
4-1 Адиабата

$dQ=0$
$V\Downarrow$
Газ изолирован и адиабатически сжимается.Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой.
При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя ($T_{H}$ или $T_{1}$), над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.

Иллюстрации цикла Карно

Цикл Карно

Максимальный КПД тепловой машины

Коэффициент полезного действия идеального цикла, как показал С.Карно, может быть выражен через температуру нагревателя ($T_{1}$) и холодильника ($T_{2}$). В реальных двигателях не удаётся осуществить цикл, состоящий из идеальных изотермических и адиабатных процессов. Поэтому КПД их цикла всегда меньше, чем КПД цикла Карно (при прочих равных условиях). $$\eta_{real}<\eta_{ideal}=\frac{T_{2}-T_{1}}{T_{1}}=1-\frac{T_{2}}{T_{1}}$$

Из формулы видно, что КПД двигателей растёт с увеличением температуры нагревателя и с уменьшением температуры холодильника.

Если бы температура холодильника была равна абсолютному нулю, то КПД был бы равен 100%. В современных двигателях обычно КПД увеличивают за счёт повышения температуры нагревателя.

Реальный КПД тепловых машин порядка 30-40%, в то время как теоретически можно получить 60-80%, при тех же условиях.

Обратный цикл Карно

В термодинамике холодильных установок и тепловых насосов рассматривают обратный цикл Карно. При этом рабочим телом являются пары легкокипящих жидкостей – фенол, аммиак и т.п. Процесс перекачки теплоты от тел, помещенных в холодильную камеру, в окружающую среду происходит за счет затрат электроэнергии.

Обратный цикл Карно. В обратном цикле Карно те же процессы происходят в обратной последовательности. Исходное состояние рабочего тела теперь — точка 3. Адиабатически сжатое компрессором по линии 3—2 рабочее тело охлаждается изотермически по линии 2—1 и далее продолжает расширяться адиабатически по линии 1—4. На изотерме 4—3 к рабочему телу подводится теплота камеры охлаждения и оно возвращается к исходному состоянию точки 3.

При этом чем меньше разность температур между холодильной камерой и окружающей средой, тем меньше нужно затратить энергии для передачи теплоты от холодного тела к горячему и тем выше холодильный коэффициент.

Анализ обратного цикла Карно показывает, что передача теплоты от тела менее нагретого телу более нагретому возможна, но этот процесс требует соответствующей энергетической компенсации в системе, в виде затраченной работы или теплоты более высокого потенциала, способного совершить работу при переходе на более низкий потенциал.

Энтропия — часть внутренней энергии замкнутой системы или энергетической совокупности Вселенной, которая не может быть использована, в частности не может перейти или быть преобразована в механическую работу. Существует мнение, что мы можем смотреть на энтропию и как на меру беспорядка в системе.

Задачи и опыты

Задачи

☆Решение задач общего вида. Формулы☆

КПД тепловой машины


subjects/physics/тепловые_машины.txt · Последние изменения: 2017/09/24 19:03 —

На главную страницу Обучение Wikipedia Тестирование Купить Контакты Нашли ошибку? Справка

Записаться на занятия

Ошибка Записаться на занятия к репетитору

Телефоны:

  • +7 (910) 874 73 73
  • +7 (831) 247 47 55

Skype: eduVdom.com

закрыть[X]
Наши контакты