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:
Основными 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.
Например, 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.
График 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 NA. В настоящее
время установлено, что число Авогадро равно:
NA=(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=nNA), закон идеального газа можно переписать
следующим образом:
PV=nRT=N/NART
или
|PV=NkT |(2) |
, где k называется постоянной Больцмана и имеет значение равное:
k= R/NA=(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 ((U) замкнутой системы можно
записать в следующем виде:
|((U)=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)):
|((U)=- 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.
Основная идея лежащая в основе любого теплового двигателя, состоит в
следующем: механическая энергия может быть получена за счет тепловой,
Страницы: 1, 2
