Открытие закона сохранения энергии в тепловых процессах. Внутренняя энергия. Работа и теплопередача как способы изменения внутренней энергии тела. Закон сохранения энергии в тепловых процессах

07.05.2019

При падении тела его потенциальная энергия превращается в кинетическую. При падении свинцового шара на свинцовую пластину механическая энергия превращается во внутреннюю энергию шара и пластины. В двигателе автомобиля и трактора внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию движения.

Механическая и внутренняя энергии могут переходить от одного тела к другому. Кинетическая энергия текущей воды передается, например, колесам турбины, а энергия движущегося ветра - крыльям ветряного двигателя . Переход внутренней энергии от одного тела к другому мы наблюдали при теплопередаче, когда внутренняя энергия от одного тела (например, нагретой печи) передавалась другому телу (воздуху комнаты).

Сохраняется ли энергия при переходе ее от одного тела к другому или при превращении из одного вида в другой?

Рассмотрев пример и проделав лабораторную работу по смешиванию горячей и холодной воды, мы убедились, что количество теплоты, отданное горячей водой, равнялось количеству теплоты, полученному холодной водой. Значит, сколько внутренней энергии отдало одно тело, столько же получило и второе, т. е. значение внутренней энергии сохранилось при переходе от одного тела к другому.

Сделанный вывод относится не только к внутренней энергии.

Все другие, более сложные опыты, которые мы будем изучать в дальнейшем, показывают, что при любых превращениях энергии ее значение сохраняется.

Наблюдения и опыты привели к открытию одного из основных законов физики - закона сохранения и превращения энергии.

Этот закон устанавливает, что энергия не исчезает и не создается. Она только превращается из одного вида в другой или переходит от одного тела к другому.

Энергия не может появиться у тела, если оно не получило ее от другого тела. Энергия текущей воды и ветра получается, как мы знаем, за счет энергии Солнца, потенциальная энергия взлетевшей вверх ракеты - за счет энергии израсходованного при ее запуске топлива; воздух в комнате нагревается, т. е. его внутренняя энергия: увеличивается за счет энергии, полученной от печи или батареи отопления.

Закон сохранения энергии - один из величайших законов природы. Мы наблюдаем его проявление, как в живой, так и в неживой природе, он всегда учитывается в науке и технике.

Изучая различные механизмы, мы познакомились с «золотым правилом» механики, согласно которому ни один механизм не может дать выигрыша в работе. Это правило является одним из проявлений закона сохранения энергии. Действительно, если бы мы, поднимая тело при помощи рычага, получили работу больше той, которую совершили, то и потенциальная энергия поднятого тела оказалась бы больше затраченной энергии, а это согласно закону сохранения энергии невозможно.

Закон сохранения энергии опровергает религиозные легенды о создании мира богом. Из него следует, что материальный мир никем не создан, он существует вечно, непрерывно развиваясь.

Вопросы. 1. Приведите примеры превращения механической энергии во внутреннюю и внутренней в механическую. 2. Приведите примеры перехода механической энергии от одного тела к другому. 3. Какой опыт показывает, что при переходе внутренней энергии от одного тела к другому ее значение сохраняется ? 4. В чем состоит закон сохранения энергий? 5. Какое значение имеет закон сохранения энергии в науке и технике?

Упражнения.

Молот копра при падении ударяет о сваю и забивает ее в землю. Какие превращения и переходы энергии при этом происходят? (Следует учесть, что свая и почва нагреваются при ударе.)
Какие превращения кинетической энергии автомобиля происходят при его торможении?
Два одинаковых стальных шарика падают с одинаковой, высоты . Один падает на стальную плиту и отскакивает вверх, другой попадает в песок и застревает в нем. Какие переходы энергии происходят в каждом случае?
Опишите все превращения и переходы энергии, которые происходят при натирании трубки с эфиром, закрытой пробкой.

Закон сохранения энергии был открыт нашим великим соотечественникомМихаилом Васильевичем Ломоносовым (1711 - 1765). Его формулировка такова: энергия не возникает и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую. Этот закон универсален, он не допускает исключений или отклонений.

Термодинамика – это раздел физики, изучающий тепловые процессы. Она начала бурно развиваться в ХУШ веке, когда появились первые паровые двигатели, и практические цели потребовали теоретического обоснования изобретаемых машин, существенно облегчивших физический труд человека. Изобретателями парового двигателя стали англичанин Джеймс Уатт (1736-1819) и русские крепостные отец и сын Ефим и Мирон Черепановы. Изобретение Черепановых в России не вызвало никакого резонанса (первая железная дорога появилась у нас лишь через 100 лет), а вот Великобритания в течение десятка лет после открытия Дж. Уатта покрылась сетью железных дорог, по которым побежали поезда на паровой тяге. Испокон веков не ценило наше Отечество один из главных своих ресурсов - интеллект своих сынов!

Первый закон термодинамики является частным случаем закона сохранения энергии в применении к тепловым процессам и формулируется так: теплота не возникает из ничего (это одна из многочисленных формулировок первого закона, самая простая). После открытия первого закона термодинамики все европейские Академии Наук перестали принимать проекты «вечных» двигателей, т.е. таких, которые работали бы без притока энергии извне. Как и закон сохранения энергии, первый закон термодинамики является универсальным и не допускает исключений.

Прежде, чем перейти ко второму закону термодинамики, следует рассмотреть понятие температуры. Абсолютная температура – это физическая величина, характеризующая изолированную макросистему в состоянии равновесия. Макросистема - это система, функционирующая в Макромире, понятие о котором было дано ранее. Изолированная макросистема - это та, которая не обменивается с окружающей средой веществом и энергией. Примером изолированной макросистемы является термос. Если взять два одинаковых термоса, поместить в один кусок льда, а в другой налить только что закипевшую воду, то через определенное время, зависящее от качества термосов, в обоих окажется вода комнатной температуры. Этот мысленный опыт говорит о том, что изолированные системы являются идеальными, в природе они отсутствуют. Однако для теоретического описания тепловых процессов, т.е. для построения классической термодинамики изолированные системы оказались весьма удобными. Состояние равновесия – это то состояние, при котором все части макросистемы характеризуются одинаковыми параметрами, например, температурой и давлением. В равновесное состояние изолированная макросистема приходит через достаточно большой промежуток времени. Абсолютная температура обозначается заглавной латинской буквой Т и имеет только положительные значения. Именно эта температура входит во все термодинамические формулы. Единицей измерения абсолютной температуры является кельвин (К), названный именем английского ученогоУильяма Томсона (1856-1940) (он же лорд Кельвин). В повседневной жизни используется более удобная температурная шкала Цельсия. Нулю градусов по Цельсию соответствует 273К. Весьма важно, что один К равен одному градусу Цельсия. Температура в шкале Цельсия обозначается малой латинской буквой t (C).

Второй закон термодинамики звучит так: маловероятен самопроизвольный переход теплоты от холодного тела к горячему. Законы термодинамики сформулировал немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822 – 1888). На основании второго закона термодинамики он предложил гипотезу тепловой смерти Вселенной : со временем все виды энергии перейдут в тепловую, тепло равномерно рассеется по Вселенной, после чего в ней прекратятся все процессы, поскольку они идут за счет разности температур.

Опроверг теорию тепловой смерти Вселенной австрийский физик Людиг Больцман (1844 – 1906), который доказал, что в отличие от первого, второй закон термодинамики не универсален, а носит статистический характер . Статистические законы, в отличие от универсальных, выполняются не всегда, а в большинстве случаев и допускают случайные отклонения, называемые флуктуациями. Флуктуации – явления чрезвычайно редкие, например, в одном случае из тысячи теплота может перейти от холодного тела к горячему, это не запрещено законом природы, а всего лишь очень маловероятное событие. В биологии примером флуктуации являются мутации – структурные изменения генов, обуславливающие биологическое видообразование и эволюцию. Статистические законы описываются с помощью специального раздела математики – теории веростностей.

Клаузиус также ввел очень важное для термодинамики понятие энтропии (S) - фунции состояния термодинамической системы, равной отношению количества теплоты, сообщенного системе, Q, к абсолютной температуре Т. Введение этой величиныпозволило определять направление протекания тепловых процессов.Согласно второму закону термодинамики, в изолированной системе энтропия всегда должна возрастать , поскольку система стремится к равновесию. С точки зрения статистической термодинамики энтропия – это мера неупорядоченности системы. Отсюда следует, что любая изолированная система самопроизвольно стремится к беспорядку. Еще древние греки ввели понятия порядка (Космоса) и и беспорядка (Хаоса).

Вывод из второго закона термодинамики можно перефразировать так: любая изолированная система стремится к хаосу.

§ 26. Закон сохранения энергии в механических и тепловых процессах

Внутренняя энергия тела может быть изменена либо путем теплопередачи, либо путем совершения работы. Очевидно, что если изменение внутренней энергии тела происходит одновременно с теплопередачей и совершением внешней силой механической работы над телом, то, согласно закону сохранения и превращения энергии, который гласит, что при всех происходящих в природе явлениях энергия не исчезает и не возникает, а передается от одних материальных объектов к другим или превращается из одной формы в другую, оставаясь постоянной по величине. Приращение внутренней энергии тела равно сумме совершенной над ним работы и количества переданной теплоты.

Так, если путем совершения работы А сжать газ, находящийся в цилиндре, который помещен в горячую воду (рис. 28), то увеличение внутренней энергии ΔU газа будет равно сумме совершенной работы А и количества теплоты Q, полученного им от горячей воды: ΔU = A + Q. Увеличение внутренней энергии газа вызывает повышение его температуры, что фиксируется электрическим термометром.

Рис. 28. Увеличение внутренней энергии газа в результате совершения работы и теплообмен

Следовательно, увеличение внутренней энергии тела при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил над телом и количества переданной ему теплоты. В этом заключается закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах. Если системе сообщается количество теплоты и при этом система совершает работу, то увеличение ее внутренней энергии ΔU равно разности между количеством теплоты Q, сообщенной системе, и работой А, совершенной системой:

Опыты и наблюдения показали, что механическая энергия тел может полностью превратиться во внутреннюю в процессе совершения работы. Иначе обстоит дело с внутренней энергией, например сжатого газа, пара: только часть ее может быть превращена в механическую. Причина этого хаотическое движение молекул газа, пара. Если бы даже все молекулы двигались в одном направлении и передали всю свою кинетическую энергию поршню, то осталась бы не превращенной в механическую энергию потенциальная энергия взаимодействия.

Задача 7. При штамповке заготовки из алюминия молот массой 700 кг свободно падает с высоты 1 м. При этом заготовка массой 2 кг нагревается до 1°С. Какой процент потенциальной энергии поднятого молота идет па нагревание, а какой — на штамповку?

На штамповку идет 0,74 энергии молота.

Задача 8. В оболочке стратостата гелий массой 9,6 кг получил от солнечного нагрева 250 кдж количества теплоты и нагрелся на 5° С. Определить работу газа при изобарическом расширении и увеличении его внутренней энергии.

Работа изобарического расширения газа А = 250 кдж — 150 кдж = 100 кдж.

Урок по физике: «Закон сохранения энергии в тепловых процессах»

Разделы: Физика

Тема: “Закон сохранения энергии в тепловых процессах”

Тип: Урок закрепления знаний изученного материала

Вид: Урок по методу проектов

— Систематизация и обобщение ранее полученных знаний по данной теме;
— Дать представления о проектной деятельности и разработать элементарный проект по заданной проблеме;
— Заинтересовать учащихся исследовательской деятельностью;
— Развивать логическое мышление и умения обобщать;
— Научиться сопоставлять и изменять полученные знания на практике и в быту;
— Воспитывать чувство коллективизма, взаимопомощи, умение работать в группах.

Оборудование: На столах приборы согласно проектам, компьютер.

Оформление: На доске портрет М.В. Ломоносова, плакат со словами:

“Может собственным Платоном
И быстрых разумом Невтонов
Российская земля рожать”

Про теплоту начнем рассказ
Всё вспомним, обобщим сейчас
Энергия работа до кипения.
Чтоб лени наблюдалось испарение
Мозги не доведём мы до плавления,
Их тренируем до изнеможения.
В учении проявляем мы старание,
Идей научных видя обоняние!
Задачу мы любую одолеем,
И другу подсобить всегда сумеем.
Историю науки изучаем
И Ломоносова великим почитаем,
И проявляем мы себя в труде
Как двигатель с высоким КПД!
Но как же жизнь бывает непроста
С той дамой, что зовётся Теплота!

Учитель: Добрый день, дорогие друзья!

Тема нашего сегодняшнего урока “Закон сохранения энергии в тепловых процессах”. Я надеюсь вы повторили эту тему. Сейчас мы вспомним законы и формулы, но не будем решать сложных задач, вне всякого сомнения, вы умеете делать это хорошо. Задача нашего урока другая. Сегодня вы попробуете себя в роли исследователей, попробуете выполнить несколько элементарных проектов-заданий, в которых решаются задачи, возникающие, кстати, достаточно в обычной жизни.

В процессе изучения различных физических явлений мы знакомились с самыми различными формами энергии. Поскольку сейчас мы закончили изучение темы “Тепловые явления” нас, прежде всего, интересует внутренняя энергия и способы её изменения. Прошу ответить на вопросы:

Учитель: Что называется внутренней энергией?

Учащийся: Внутренняя энергия – это энергия движения и взаимодействия молекул.

Учитель: Какими способами можно изменить внутреннюю энергию?

Учащийся: Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: совершением над телом механической работы или теплопередачей.

Учитель: С теплопередачей непосредственно связано такое понятие, как количество теплоты. Что же такое количество теплоты?

Учащийся: Количество теплоты – это энергия, которую тело получает либо теряет при теплопередаче

Учитель: Давайте охарактеризуем изученные нами тепловые процессы, именно формулами. Сейчас вам будут розданы листы с заданиями в виде таблиц, которые вы должны заполнить. Время работы 3 минуты. После этого вы сделаете взаимопроверку и каждый оценит работу рядом сидящего. (Приложение №1 ). Звучит музыка.

Учитель: Знаете ли вы, что физик Вальтер Нернст увлекался разведением карпов? Однажды кто – то глубокомысленно заметил: “Странный выбор. Кур разводить и то интереснее”. Учёный невозмутимо ответил: “Я развожу таких животных, которые находятся в тепловом равновесии с окружающей средой. Разводить теплокровных – это значит обогревать на свои деньги мировое пространство”. Справедливо ли замечание ученого? На этот и другие вопросы нам ответят законы термодинамики.

Учитель: А что такое термодинамика?

Учащийся: Термодинамика — раздел физики, изучающий законы теплового равновесия и превращения теплоты в другие виды энергии.

Учитель: Сформулируем принципы, которые носят название законов термодинамики.

Учащийся: Количество теплоты, полученное системой, расходуется на изменение её внутренней энергии и на работу, производимую системой против внешних сил.

Учащийся: Невозможен процесс, единственным результатом которого был бы переход энергии путем теплообмена от холодного тела к более горячему.

Учитель: Энергия, согласно закону сохранения не возникает из нечего, поэтому нельзя построить двигатель, который бы совершал работу большую, чем та энергия, которая подводится к двигателю из вне.

Учащийся: Невозможно создать двигатель 1 рода.

Учитель: Ну, коль вечный невозможно создать, то, что такое реально существующие тепловые двигатели?

Учащийся: Машины, преобразующие внутреннюю энергию в механическую, называют тепловыми двигателями.

Учитель: Из каких основных частей состоит любой тепловой двигатель?

Учащийся: Нагреватель -> рабочее тело - > холодильник.

Учитель: Назовите основные виды тепловых двигателей.

Учащийся: Паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина, реактивный двигатель.

Учитель: Каков КПД тепловых двигателей?

Учащийся: Обычно не более 30-40%.

Учитель: Человек очень расточительно использует энергию топлива, которую дарит нам природа. Мы, как не благодарные дети, проматываем наследство, накапливавшееся по крохам в течении миллионов лет. Природа поступает более мудро. Как же она решает энергетическую проблему? На этот вопрос вы ответите в своих проектах.

Источниками тепла мы считаем газовую плитку, костёр, сгорание бензина, мазута, кокса в котельных. Горение – это экзотермическая реакция, которая идёт с выделением тепла. Гидроэлектростанции и тепловые станции тоже являются источниками тепла, так как дают до 70% всей электроэнергии, а это электроплитки, электрокамины и другие электро-обогреватели.

2. Проанализируйте виды топлива, которые используются в современной технике. Какие из них использовались в древности? Какие будут использоваться в будущем?

Проанализировав горение сухого горючего, свечи, растительного масла, горение эфира и пользуясь таблицей № 1 разделите виды топлива на 3 группы: твёрдое, жидкое, газообразное.
Оказывается, из множества видов твёрдого топлива, наибольшее количест- во тепла выделяет бурый челябинский уголь, 14300 кДж на 1 кг топлива, и металлическое ракетное горючее:

магний 24830 кДж
алюминий 31000 кДж
бериллий 66600 кДж.

Из жидких видов: керосин осветит 43100 кДж на 1 кг жидкого топлива и дизельное топливо — 42700 кДж.
Газообразное топливо отличается выделением большого количества энергии на 1 кг горючего топлива. Но самое большое количество энергии выделяется при сгорании водорода -119700 кДж.

3. На столе у вас приборы. Используйте их для составления задачи, в которой бы упоминалось сгорание. Приборы: 20 деревянных лучин, термометр, весы с разновесами.

На сколько повысится температура воздуха в большой пещере объемом 10 м на 15 м на 5 м, если там сгорят 20 деревянных лучин, массой 800 г? Начальная температура воздуха около 14?С.

xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai

Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

На сегодняшнем уроке мы изучим закон сохранения энергии и вспомним о преобразованиях одних типов механической энергии в другие при движении тел, повторим такое понятие, как полная механическая энергия тела. Затем поговорим о процессах, в которых будут иметь место одновременно преобразования механической энергии и внутренней и их взаимные превращения. Также вспомним понятия «замкнутая система» и «теплоизолированная система». На протяжении урока мы неоднократно будем обращаться к истории исследования физических явлений и вспомним величайших ученных, которые внесли свой вклад в развитие представлений об изучаемом разделе физики.

Примеры взаимного превращения видов механической энергии

Ранее мы уже рассматривали возможность превращения одного вида механической энергии в другой, например, потенциальной в кинетическую или, наоборот, кинетической в потенциальную. Также мы приводили пример периодического превращения потенциальной и кинетической энергии друг в друга.

Пример 1. Переход потенциальной энергии в кинетическую

Этот пример мы уже рассматривали в курсе 7 класса и в начале изучения этого раздела. Если представить себе тело, закрепленное на некоторой высоте, то оно имеет некую потенциальную энергию относительно уровня поверхности. Потом, если это тело отпустить, то оно начнет падать, т. е. его высота будет уменьшаться, и ускоряться, т. е. увеличивать свою скорость. Следовательно, его потенциальная энергия будет уменьшаться, а кинетическая – увеличиваться (рис. 1), энергии будут превращаться друг в друга. В момент перед самым соприкосновением с землей вся потенциальная энергия тела переходит в кинетическую.

Рис. 1. Превращение потенциальной энергии в кинетическую

Пример 2. Периодические превращения типов механической энергии (маятники) . Рассмотрим по очереди три вида маятников: математический, пружинный, маятник Максвелла.

1. Маятник Максвелла – представляет собой диск, закрепленный на оси, на которую наматываются две нити (рис. 2).

Принцип работы этого маятника следующий: сначала нити наматываются на ось, тем самым поднимая маятник вверх и сообщая ему дополнительную потенциальную энергию, затем диск маятника отпускают и он начинает, раскручиваясь, двигаться вниз, нить разматывается до конца, затем наматывается снова по инерции и т. д.

Таким образом, можно наблюдать следующие преобразования механической энергии: начальное накопление потенциальной энергии – превращение ее в кинетическую энергию – превращение в потенциальную и т. д. (рис. 3).

Рис. 3. Переход потенциальной энергии маятника в кинетическую и наоборот

2. Математический маятник (груз на нити) – материальная точка, совершающая колебания под действием силы тяжести на длинной нерастяжимой нити (рис. 4).

Рис. 4. Математический маятник

Для начала колебательного процесса в этом маятнике нужно отвести тело, подвешенное на нити, от положения равновесия (придаем ему потенциальную энергию) и отпустить. После этого будут наблюдаться горизонтальные колебания в вертикальной плоскости и мы можем видеть похожие на предыдущий пример превращения энергии: подъем – переход кинетической энергии в потенциальную, опускание – переход потенциальной в кинетическую и т. д.

3. Пружинный маятник – груз, совершающий колебания на пружине под действием силы упругости (рис. 5).

Рис. 5. Пружинный маятник

Если подвесить груз к пружине и оттянуть ее вниз (придать пружине потенциальную энергию), а затем отпустить, то будут наблюдаться более сложные превращения энергии: потенциальная энергия пружины будет переходить в кинетическую и потенциальную энергию груза и наоборот.

Закон сохранения механической энергии

Все приведенные примеры экспериментов говорят о том, что мы уже знаем: полная механическая энергия тела (сумма кинетической и потенциальной) не меняется или, как говорят по-другому, сохраняется. Это мы называем законом сохранения механической энергии:

Замечание. Важно помнить, что этот закон выполнен только для замкнутой системы тел.

Определение. Замкнутая система тел – это та система, в которой не действуют внешние силы.

Примеры перехода механической энергии во внутреннюю и наоборот

Пример 3. Теперь перейдем к основной части нашей сегодняшней темы и вспомним, каким образом механическая энергия может переходить во внутреннюю . Происходит этот процесс путем совершения механической работы над телом, например, при сгибании и разгибании проволоки она будет нагреваться, при нескольких ударах молотка о наковальню нагреется и молоток, и наковальня.

Пример 4. Возможен и обратный процесс, когда внутренняя энергия будет переходить в механическую . Например, подобные процессы происходят в двигателе внутреннего сгорания (рис. 6). Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основан на преобразовании энергии сгорания топлива в механическую энергию движения поршней, которая затем через передаточные механизмы преобразуется в энергию вращения колес автомобиля.

Рис. 6. Двигатель внутреннего сгорания

Аналогичный принцип превращения внутренней энергии в механическую происходит и в паровых двигателях (рис. 7).

Рис. 7. Паровой двигатель на паровой машине (Источник)

История изучения преобразования механической и тепловой энергии

Вопросами преобразований механической и внутренней энергий очень активно занимались в XIX веке. Основные исследования были проведены следующими учеными.

Немецкий ученый Юлиус Майер (рис. 8) показал в своих экспериментах, что возможны взаимные превращения внутренней и механической энергий и что изменения внутренней энергии в таких процессах эквивалентно совершенной работе.

Рис. 8. Юлиус Майер (1814-1878) (Источник)

Отдельный интерес составляет работа английского ученого Джеймса Джоуля (рис. 9), который с помощью ряда экспериментов получил доказательство того, что между совершенной над телом работой и его изменением внутренней энергии существует точное равенство.

Рис. 9. Джеймс Джоуль (1819-1889) (Источник)

Особый интерес представляет тот факт, что 1843 году французский инженер Густав Гирн (рис. 10) с помощью серии своих экспериментов попытался развенчать то, что доказывали Майер и Джоуль, но результаты его экспериментов только еще раз доказали соответствие в превращениях механической энергии во внутреннюю.

Рис. 10. Густав Гирн (Источник)

Закон сохранения энергии

Для возможности корректного описания процессов теплообмена важно, чтобы система, в которой они происходят, была теплоизолированной и внешние теплообменные процессы не влияли на тела, находящиеся в рассматриваемой системе (рис. 11).

Рис. 11. Замкнутая система

В таком случае выполнен закон сохранения энергии : если система является замкнутой и теплоизолированной, то энергия в этой системе остается неизменной.

Замечание . Данный закон еще очень часто именуют основным законом природы.

Сегодня мы поговорили о взаимных превращениях различных типов механической энергии друг в друга: механической в тепловую, тепловой в механическую. Кроме того, мы рассмотрели важнейший закон физики – закон сохранения энергии.

На следующем уроке мы изучим уравнение теплового баланса.

Аннотация к презентации

Презентация для школьников на тему «Закон сохранения энергии в тепловых процессах» по физике. pptCloud.ru - удобный каталог с возможностью скачать powerpoint презентацию бесплатно.

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Виды топлива Отопление и обогрев Приготовление пищи Теплопередачи и закон сохранения энергии Энергия и теплота в живой природе Тепловые механизмы и двигатели

Урок по методу проекта

Цель: систематизировать и обобщить раннее полученные знания по теме; дать представление о проектной деятельности; заинтересовать учащихся исследовательской деятельностью; развивать логическое мышление и умение обобщать; научиться применять полученные знания на практике и в быту.

Проект №1 « Виды топлива » Горение – это экзотермическая реакция, которая идет с выделением тепла. виды топлива на 3 группы: твёрдое, жидкое, газообразное. Оказывается, из множества видов твёрдого топлива, наибольшее количество тепла выделяет бурый челябинский уголь,14300 кДж на 1 кг топлива, и металлическое ракетное горючее: магний 24830 кДж алюминий 31000 кДж бериллий 66600 кДж Из жидких видов: керосин осветит 43100 кДж на 1 кг жидкого топлива и дизельное топливо — 42700 кДж. Газообразное топливо отличается выделением большого количества энергии на 1 кг горючего топлива.Но самое большое количество энергии выделяется при сгорании водорода -119700 кДж.

Проект № 2 «Отопление и обогрев» 1. Каким способом обычно, осуществляется обогрев жилых и промышленных помещений? 2.Как можно исследовать конвекцию в помещении? 3.Какие ещё существуют способы теплопередачи?

Проект № 3 «Приготовление пищи»

Как заставить картофель свариться быстрее? Чтобы ваш картофель сварился быстрее, надо перед варкой бросить в кастрюлю с картофелем и водой кусочек сливочного масла. Нагреваясь, оно растопится и покроет поверхность воды тонкой пленкой. Эта защитная пленка будет препятствовать процессу испарения воды. А процесс испарения всегда сопровождается уменьшением температуры жидкости и ее количества. Сталкиваемся с такой ситуацией: половина жидкости выкипела, а картофель еще не сварился, приходится доливать воду и варить дальше, а на это требуется лишнее время.

Проект№ 4 «Теплопередача и закон сохранения энергии»

1.Предложите опыты с простым школьным оборудованием для демонстрации разных видов теплопередачи и объясните их схематически. 2. При изменении температуры тело может изменять свои механические свойства: длину, объем, плотность, упругость, хрупкость. Приведите примеры.

Проект № 5 «Энергия и теплота в живой природе»

Некоторые организмы, особенно в стадии покоя, способны существовать при очень низких температурах. Например, споры микроорганизмов выдерживают охлаждение до — 200 С. Различают организмы с не постоянной температурой: лягушки, рыбы, крокодилы, змеи, и с постоянной: волки, медведи. Температура тела зависит от температуры окружающей среды. Существует много приспособлений для борьбы с охлаждением или перегревом.

Проект № 6 «Тепловые механизмы и двигатели»

В своей жизни мы постоянно встречаемся с разнообразными двигателями. Работа тепловых машин связана с потреблением различных видов энергии. Конструкция первых паровых машин имела основные части всех последующих тепловых машин: нагреватель, в котором освобождалась энергия топлива, водяной пар как рабочее тело и поршень с цилиндром, преобразующий энергию пара в механическую работу, а также охладитель, необходимый для снижения температуры и давления пара.

Урок по физики для 10 класса «Закон сохранения энергии в тепловых процессах. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам»

Успейте воспользоваться скидками до 50% на курсы «Инфоурок»

Выбранный для просмотра документ Закон сохранения энергии в тепловых процессах. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам.docx

Тема: « Закон сохранения энергии в тепловых процессах. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам »

Цели и задачи урока:

Образовательная: Организовать деятельность учащихся по закреплению основных понятий термодинамики;

Развивающая: Создать условия для решения олимпиадных задач по теме;

Воспитательная: Содействовать развитию внимательности, инициативности, трудолюбия, творческих способностей;

Тип урока: у рок применения знаний и умений ;

Форма проведения урока: практикум .

Межпредметные связи: математика, химия

владеть изученными на уроке терминами на казахском, русском и английском языках;

уметь применять полученные знания для решения олимпиадных задач;

Организация начала урока

Актуализация опорных знаний

Объяснение нового материала

Закрепление новых знаний

Подведение итогов урока.

Организация начала урока

Здравствуйте уважаемые участники нашего онлайн занятия. Вас приветствует город Астана, Назарбаев Интеллектуальная школа физико-математического направления на уроке физики в 10 классе. Прежде чем мы с вами начнем беседу, я хочу, чтобы вы сели поудобнее, отвлеклись от посторонних дел и погрузились в удивительный мир физики. Сегодня мы с вами продолжаем изучать тему: «Закон сохранения энергии в тепловых процессах. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам». Цель нашего занятия – научиться решать олимпиадные задачи по данной теме.

Глоссарий к нашему уроку:

Актуализация опорных знаний

Прежде чем мы приступим непосредственно к изучению темы нашего урока, давайте мы с вами вспомним то, что вы проходили раннее. Для этого вам необходимо взять ручку и листок бумаги для того, чтобы вы могли поставить себе баллы. За каждый правильный ответ вы ставите себе один балл. Давайте ответим на следующие вопросы.

На что расходуется количество теплоты, переданное системе, согласно первому закону термодинамики?

Ответ: На прошлом уроке мы с вами говорили о первом законе термодинамики. Первый закон термодинамики называют еще законом сохранения энергии для тепловых процессов. Он определяет количественное соотношение между изменением внутренней энергии , количеством теплоты , подведенным к ней, и суммарной работой внешних сил , действующих на систему.

Первый закон термодинамики: изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, подведенного к системе извне, и работе внешних сил действующих на нее.

Количество теплоты, поглощаемое телом, считают положительным, а выделяемое — отрицательным.

Для изолированной системы, которая не обменивается теплотой с окружающими телами (те есть при ) и над которой не совершается работа внешних сил ()

Или другими словами внутренняя энергия замкнутой изолированной системы сохраняется.

В термодинамике наибольший интерес представляет преобразование внутренней энергии в работу, совершаемую газом. Как было сказано раннее, эта работа отличается от работы внешних сил только знаком:

С учетом соотношения (1) первый закон термодинамики можно сформулировать и так:

Количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами

Количество теплоты, сообщаемое газу для изменения его состояния, зависит от способа перехода газа из одного состояния в другое. При разных процессах, связывающих два состояния тела, количество подведенной теплоты будет различным.

Сформулируйте первый закон термодинамики для изобарного процесса.

Ответ: Как вы помните, изобарный процесс – это процесс, проходящий при постоянном давлении. При данном процессе количество теплоты идет и на совершение работы газом и на изменение его внутренней энергии.

Какой процесс называется адиабатным? Сформулируйте первый закон термодинамики для адиабатного процесса.

Ответ: Как было сказано раннее, наибольший интерес представляет процесс преобразования внутренней энергии газа в работу. Поэтому, для наиболее эффективного преобразования внутренней энергии газа в совершаемую им работу следует предотваратить возможные потери внутренней энергии в результате теплопередачи окружающим телам. Поэтому систему теплоизолируют.

Теплоизолированная система – это система не обменивающаяся энергией с окружающими телами.

В теплоизолированной системе происходит так называемый адиабатный процесс.

Так как нет теплообмена с окружающей средой, следовательно

и первый закон термодинамики для адиабатного процесса будет иметь в следующий вид

При адиабатном расширении , следовательно . Это означает, что газ совершает работу над внешними телами за счет уменьшения своей внутренней энергии.

Почему при изобарном расширении газа от объема V 1 до объема V 2 требуется большее количество теплоты, чем при изотермическом процессе?

Ответ: Для изобарного расширения газа от объема до объема требуется большее количество теплоты, чем при изотермическом процессе, так как при изобарном процессе меняется температура газа, а при изотермическом не меняется.

Почему при адиабатном расширении температура газа падает, а при сжатии возрастает?

Ответ: При адиабатном сжатии температура возрастает, так как над системой совершается работа, которая увеличивает внутреннюю энергию тела. А как вы помните, внутренняя энергия тела зависит от температуры, и при увеличении внутренней энергии тела, соответственно, увеличивается температура. Если же газ совершает работу, то изменение внутренней энергии отрицательно, так как газ совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии. Следовательно, температура газа будет понижаться.

Тест «Проверь себя!»

1. Чему равно изменение внутренней энергии одного моля идеального одноатомного газа, если Т 1 =Т, а Т 2 =2Т?
А.) R Т; Б.) 2 R Т; В.) 3 R Т; Г.) 1,5 R Т.

2. Какую работу совершает газ, расширяясь изобарно при давлении 2 ∙ 10 5 Па от объёма V 1 =0,1 м 3 до объёма V 2 =0,2 м 3 ?
А.) 2 ∙ 10 6 Дж; Б.) 200 кДж; В.) 0,2 ∙ 10 5 Дж.

3. Термодинамической системе передано количество теплоты, равное 2000 Дж, и над ней совершена работа 500 Дж. Определите изменение его внутренней энергии этой системы.

А.) 2500 Дж; Б.) 1500 Дж; В.) ∆ U =0.

4. В цилиндре под поршнем находится воздух, массой 29 кг. Какую работу совершит воздух при изобарном расширении, если температура его увеличилась на 100 К. Массу поршня не учитывать.
А.) 831 Дж; Б.) 8,31 кДж; В.) 0,83 МДж.

5. Какая физическая величина вычисляется по формуле ?

А.) количество теплоты в идеальном газе;
Б.) давление идеального газа;
В.) внутренняя энергия одноатомного идеального газа;
Г.) внутренняя энергия одного моля идеального газа.

Объяснение нового материала

Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии остается неизменным при любых ее превращениях. Но данный закон не учитывает, какие энергетические превращения возможны. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения энергии, никогда не протекают в действительности. Нагретые тела остывают, передавая свою энергию окружающим телам, обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения энергии, но на самом деле не происходит. Число примеров можно привести неограниченное количество. Все примеры говорят о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, никак не отраженную в первом законе термодинамики. Все процессы в природе текут в одном определенном направлении. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, например – старение организмов, диффузия. Рассмотрим понятие обратимого процесса.

Обратимым называется процесс, который отвечает следующим условиям:

— его можно провести в двух противоположных направлениях;

— в каждом из этих случаев система и окружающие ее тела проходят через одни и те же промежуточные состояния;

— после проведения прямого и обратного процессов система и окружающие ее тела возвращаются к исходному состоянию.

Всякий процесс, не удовлетворяющий хотя бы одному из этих условий, является необратимым.

Реальные тепловые процессы также необратимы.

При диффузии выравнивание концентраций происходит самопроизвольно. Обратный же процесс сам по себе никогда не пойдет: никогда самопроизвольно смесь газов, например, не разделится на составляющие ее компоненты. Следовательно, диффузия - необратимый процесс.

Теплообмен, как показывает опыт, также является односторонне направленным процессом. В результате теплообмена энергия передается сама по себе всегда от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему сам по себе никогда не происходит.

Необратимым является также процесс превращения механической энергии во внутреннюю при неупругом ударе или при трении.

Между тем из первого закона термодинамики направленность и тем самым необратимость тепловых процессов не вытекает. Первый закон термодинамики требует лишь, чтобы количество теплоты, отданное одним телом, в точности равнялось количеству теплоты, которое получит другое. А вот вопрос о том, от какого тела, от горячего к холодному или наоборот, перейдет энергия, остается открытым.

Направленность реальных тепловых процессов определяется вторым законом термодинамики, который был установлен непосредственным обобщением опытных фактов. Это постулат. Немецкий ученый Р. Клаузиус дал такую формулировку второго закона термодинамики: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

КЛАУЗИУС Рудольф Юлиус Эмануэль (1822-1888), немецкий физик-теоретик, один из создателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории теплоты. Работы Клаузиуса относятся к области молекулярной физики, термодинамики, теории паровых машин, теоретической механики, математической физики. Он первым проанализировал идеи С.Карно и, развивая их, сформулировал принцип эквивалентности теплоты и работы. В 1850 независимо от У.Ранкина получил соотношение между теплотой и работой (первое начало термодинамики) и разработал идеальный термодинамический цикл паровой машины (цикл Ранкина — Клаузиуса). В том же году (одновременно с У.Томсоном) дал первую формулировку второго начала термодинамики: «Теплота не может сама собою перейти от более холодного тела к более теплому». В 1865 ввел понятие энтропии, установил ее важнейшее свойство. Клаузиус внес большой вклад в развитие молекулярно-кинетической теории теплоты. Его работы способствовали введению в физику статистических методов, благодаря чему удалось с единых позиций объяснить такие разные явления в газах, как внутреннее трение, теплопроводность, диффузия.

Никола Леонар Сади Карно французский физик и военный инженер, один из основателей термодинамики. Сади Карно скоропостижно скончался в возрасте всего 36 лет от холеры. Карно интересовался многими новыми промышленно-технологическими разработками того времени. Занявшись теоретическим обоснованием принципов работы паровых машин, Карно стал одним из пионеров термодинамики, предложив свою знаменитую модель идеального двигателя. Свои идеи Сади Карно опубликовал в 1824 г. в форме фундаментального трактата «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». В нём Карно рассмотрел в общем виде вопрос о «получении движения из тепла». Анализируя идеальный круговой процесс (известный сейчас как цикл Карно), он впервые пришёл к выводу о том, что полезная работа производится только при переходе тепла от нагретого тела к более холодному. Карно высказал также положение, что величина работы обусловлена разностью температур нагревателя и холодильника и не зависит от природы вещества, работающего в тепловой машине (теорема Карно). В своих рассуждениях Карно придерживался теории теплорода, однако в дальнейшем, как явствует из его записок, изданных посмертно, он от неё отказался

В круг научных интересов Томсона входили термодинамика, гидродинамика, электромагнетизм, теория упругости, теплота, математика, техника. В 1851 г. У. Томсон сформулировал (независимо от Р. Клаузиуса) 2-е начало термодинамики. В его работе «О динамической теории теплоты» излагалась новая точка зрения на теплоту, согласно которой «теплота представляет собой не вещество, а динамическую форму механического эффекта». Поэтому «должна существовать некоторая эквивалентность между механической работой и теплотой». Томсон указывает, что этот принцип, «по-видимому, впервые. был открыто провозглашен в работе Ю. Майера «Замечания о силах неживой природы». Далее он упоминает работу Дж. Джоуля, исследовавшего численное соотношение, «связывающее теплоту и механическую силу».

Томсон утверждает, что вся теория движущей силы теплоты основана на двух положениях, из которых первое восходит к Джоулю и формулируется следующим образом: «Во всех случаях, когда равные количества механической работы получаются каким бы то ни было способом исключительно за счёт теплоты или бывают израсходованы исключительно на получение тепловых действий, всегда теряются или приобретаются равные количества теплоты».

Итак, из второго закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя второго рода, т.е. двигателя, который бы совершал работу за счет охлаждения какого-либо одного тела.

Развитие техники зависит от умения использовать громадные запасы внутренней энергии. Использовать эту энергию- это значит совершать за счет ее полезную работу. Рассмотрим источники, которые совершают работу за счет внутренней энергии.

Тепловой двигатель – устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в механическую. Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Работа любого теплового двигателя циклична.

Каждый цикл состоит из разных процессов:

— получение энергии от нагревателя;

— передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

Наличие нагревателя, рабочего тела, холодильника – принципиально

необходимое условие для непрерывной циклической работы любого теплового двигателя.

Над одним молем идеального одноатомного газа совершают процесс 1-2-3-4-1 (см.рис.), причем газ получает от нагревателя за один цикл количество теплоты Q . Какое количество теплоты будет порлучать за один цикл газ, если совершать над ним процесс 2-3-4-А-В-С-2? Известно, что Т 3 =16Т 1 , Т 2 =Т 4 , В – точка пересечения изотермы Т= Т 2 с прямой 1-3, проходящей через начало координат pV – диаграммы. Ответ выразить через Q .

Рассмотрим сначала исходный цикл и выразим сообщаемое газу количество теплоты через другие параметры системы. Из первого начала термодинамики (∆Q = ∆U + ∆A) следует, что теплота сообщается газу на участках 1–2 и 2–3. Значит, количество теплоты, сообщённое газу за один цикл:

1-2 процесс изохорный, следовательно, все количество теплоты, полученное в данном процессе, идет на увеличение внутренней энергии

Для того, чтобы понять, продуктивен ли был урок для вас, вы можете ответить на вопросы, которые вы видите на экране. Если большая часть ответов положительная, то значит наш урок прошел продуктивно, и на следующем уроке я жду вас в это же время для решения задач.

Подведение итогов урока.

Мы с вами сегодня изучили решали совместно задачи на первый закон термодинамики, а также освоили понятие теплового двигателя, разобрали второй закон термодинамики и понятие необратимости процессов. В начале урока вы ставили себе балл за каждый правильный ответ.

Если Вы получили сумму баллов «6» или меньше не отчаивайтесь, почитайте учебник, например Мякишев Г.Я., Синяков А.З. том «Молекулярная физика и термодинамика» стр. 158-161.

Для закрепления знаний вам необходимо выполнить следующие задания:

В вертикальном цилиндре под тяжелым поршнем находится кислород массы m =2 кг. Для повышения температуры кислорода на ∆Т =5 К ему было сообщено количество теплоты Q =9160 Дж. Найти удельную теплоемкость кислорода с, работу А, совершаемую им при расширении, и увеличение его внутренней энергии ∆ U . Молярная масса кислорода М=0,032 кг/моль.

Два одинаковых сосуда соединены трубкой, объемом которой можно пренебречь. Система наполнена газом и находится при температуре 300 К. Когда один из сосудов был нагрет, а другой оставлен при прежней температуре, давление в системе увеличилось в 1,5 раза. На сколько градусов был нагрет один из сосудов?

Баллон емкостью 40 л содержит сжатый воздух под давлением 18 МПа при 27 0 С. Какой объем (в литрах) воды можно вытеснить из цистерны подводной лодки воздухом этого баллона, если лодка находится на глубине 20 м, где температура 7 0 С? Атмосферное давление 0,1 МПа, g =10 м/с 2 .

Рис. 11. Замкнутая система

Замечание . Данный закон еще очень часто именуют основным законом природы.

На следующем уроке мы изучим уравнение теплового баланса.

Список литературы

Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

Интернет-портал «sch119comp2.narod.ru» ()
Интернет-портал «youtube.com» ()

Домашнее задание

Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Процессы, нарушающие первый закон термодинамики, никогда не наблюдались. На рис. изображены устройства, запрещенные первым законом термодинамики. Первый закон термодинамики не устанавливает направление тепловых процессов. Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одном направлении. Такие процессы называются необратимыми. Например, при тепловом контакте двух тел с разными температурами тепловой поток всегда направлен от более теплого тела к более холодному. Первый закон термодинамики не может отличить обратимые процессы от необратимых. Он просто требует от термодинамического процесса определенного энергетического баланса и ничего не говорит о том, возможен такой процесс или нет. Направление самопроизвольно протекающих процессов устанавливает второй закон термодинамики. Он может быть сформулирован в виде запрета на определенные виды термодинамических процессов. Втоpое начало теpмодинамики обычно фоpмулиpуется как пpинцип исключения вечного двигателя втоpого pода: нельзя постpоить такую пеpиодически действующую тепловую машину, котоpая бы совеpшала pаботу исключительно за счет охлаждения одного тела без нагpевания дpугих тел. Каждая тепловая машина имеет некий источник теплоты,именуемый нагpевателем. Втоpое начало теpмодинамики утвеpждает, что нельзя постpоить тепловую машину, в котоpой бы pабота совеpшалась за счет теплоты нагpевателя без какой-либо отдачи части теплоты более холодному телу, именуемому холодильником. Нельзя постpоить тепловую машину без холодильника. Почему же машина без холодильника называется вечным двигателем? Дело в том, что окpужающая нас сpеда (атмосфеpа, pеки, моpя) так или иначе нагpета и могла бы служить нагpевателем тепловой машины. Если бы можно было постpоить машину без холодильника с темпеpатуpой ниже темпеpатуpы сpеды, то такая машина pаботала бы пpактически вечно, т.к. внутpенняя энеpгия сpеды (напpимеp, атмосфеpы) колоссальна и пpактически неисчеpпаема. Оказывается, необходим холодильник, котоpый в пpоцессе pаботы машины будет нагpеваться, и, когда он нагpеется до темпеpатуpы окpужающей сpеды, машина остановится. Ее дальнейшая pабота потpебует пpедваpительного охлаждения холодильника, для чего нужно совеpшить pаботу какой-то дpугой машине. Никакого выигрыша в работе не будет. Английский физик У. Кельвин дал в 1851 г. следующую формулировку второго закона: В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара. Гипотетическую тепловую машину, в которой мог бы происходить такой процесс, называют «вечным двигателем второго рода». В земных условиях такая машина могла бы отбирать тепловую энергию, например, у Мирового океана и полностью превращать ее в работу. Масса воды в Мировом океане составляет примерно 10 21 кг, и при ее охлаждении на один градус выделилось бы огромное количество энергии (≈10 24 Дж), эквивалентное полному сжиганию 10 17 кг угля. Ежегодно вырабатываемая на Земле энергия приблизительно в 10 4 раз меньше. Поэтому «вечный двигатель второго рода» был бы для человечества не менее привлекателен, чем «вечный двигатель первого рода», запрещенный первым законом термодинамики. Немецкий физик Р. Клаузиус дал другую формулировку второго закона термодинамики: Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Второй закон термодинамики по своим формулировкам неоднократно дополнялся за более чем полутора-вековое существование науки – термодинамики. На рис. изображены процессы, запрещаемые вторым законом, но не запрещаемые первым законом термодинамики. Эти процессы соответствуют двум формулировкам второго закона термодинамики.

10.2. Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно

Еще более 200 лет назад развитие промышленности поставило перед учеными и инженерами задачу непрерывного получения механической работы, работы упорядоченного движения рабочего тела. А на 100 лет позже пришлось поставить задачу непрерывного «получения холода» за счет работы (т.е. переноса теплоты от тел с нижнего температурного уровня на верхний). Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами. Однако, получать работу или трансформировать ее в теплоту непрерывно в разомкнутом, одностороннем процессе – невозможно, хотя бы потому, что односторонне движущийся поршень в цилиндре неработоспособен (должен быть ∞ ход его). Поэтому необходимость циклов, как замкнутой системы процессов, для человеческой практики была давно понята, особенно при переходе к непрерывным технологическим процессам. Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (ΔU = 0):

A = Q.

Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Определение. Циклом называется замкнутый (круговой) процесс.

10.3. Понятие о круговом процессе

Круговой процесс или цикл – это совокупность процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние. Если в круговом процессе совершается положительная работа, то цикл называется прямым (по часовой стрелке), если отрицательная – обратным (против часовой стрелки рис). Тепловые двигатели с обратными циклами называются холодильниками. Для них
,
и
. Противоестественный ход тепла (от холодного к горячему) обеспечивается внешней работой. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу A 1 , равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A 2 , равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A 1 + A 2 на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении. Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q 1 > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q 2 < 0. Полное количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно Отсюда следует: Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η < 1). Энергетическая схема тепловой машины изображена на рис. 3.11.2.

Рис. Иллюстрация работы тепловой машины (Т 1 > Т 2).

В применяемых в технике двигателях используются различные круговые процессы. На рис. 3.11.3 изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

10.4. Двигатели внутреннего сгорания.

Эти двигатели различают по виду топлива на бензиновые и дизельные. На рис. 6.1 представлена индикаторная диаграмма цикла бензинового двигателя.

Рис. Индикаторная диаграмма бензинового двигателя внутреннего сгорания.

А1 – процесс всасывания паро-воздушной смеси в объем цилиндра; 1 – 2 – сжатие этой смеси; в точке 2 возбуждение искры запального устройства (свечи); 2 – 3 – вспышка (взрыв) паров бензина в смеси с кислородом воздуха; 3 – 4 – процесс политропического расширения дымовых газов; в точке 4 – открытие выхлопного клапана; 4 – 1 процесс выхлопа дымовых газов в атмосферу. На рис. представлена индикаторная диаграмма дизельного двигателя внутреннего сгорания.

Рис. Индикаторная диаграмма дизельного двигателя внутреннего сгорания.

А1 – процесс всасывания чистого воздуха из атмосферы в цилиндр двигателя; 1 – 2 – процесс сжатия воздуха; в точке 2 – впрыск дизельного топлива в цилиндр; 2 – 3 – горение топлива; 3 – 4 –процесс политропического расширения; т. 4 – открытие выхлопного клапана; 4 – 1 – выхлоп дымовых газов в атмосферу. Можно показать, что термический коэффициент полезного действия ηt двигателей внутреннего сгорания сильно зависит от степени сжатия р1/р2 (см. рис. 6.1 и 6.2): чем больше эта степень, тем больше ηt. Для бензинового двигателя степень сжатия ограничена температурой самопроизвольной вспышки паров бензина в смеси с кислородом воздуха. Поэтому паровоздушную смесь приходится сжимать до температуры ниже температуры вспышки, а само горение (взрывного типа) инициируют с помощью искры в запальной свече. В дизельных двигателях сжимается чистый воздух, степень сжатия в таких двигателях ограничена только прочностными свойствами материалов для изготовления двигателей. Поэтому степень сжатия в дизельном двигателе много больше степени сжатия в бензиновом двигателе и, соответственно, ηt – тоже. Для бензиновых двигателей η ≈ 25% – 30%, для дизельных η ≈ 40% - 45%. Это значит, что из 10 литров бензина в баке на собственно движение автомобиля будет израсходовано только 2,5 литра, а остальное пойдет на обогрев атмосферы и экологическую грязь. Зато у дизельного двигателя чуть меньше половины топлива будет истрачено с пользой, а остальное – потери.