74785

Первое начало термодинамики. Круговые, обратимые и необратимые процессы. Тепловая машина Карно и ее кпд

Доклад

Физика

Внутренняя энергия системы может изменяться в результате различных процессов например совершения над системой работы или сообщения ей теплоты. С другой стороны температуру газа и его внутреннюю энергию можно увеличить за счет сообщения ему некоторого количества теплоты...

Русский

2015-01-05

54 KB

3 чел.

25.Первое начало термодинамики. Круговые, обратимые и необратимые процессы. Тепловая машина Карно и ее кпд.

Первое начало термодинамики

Рассмотрим термодинамическую систему, для которой механическая энергия не изменяется, а изменяется лишь ее внутренняя энергия. Внутренняя энергия системы может изменяться в результате различных процессов, например совершения над системой работы или сообщения ей теплоты. Так, вдвигая поршень в цилиндр, в котором находится газ, мы сжимаем этот газ, в результате чего его температура повышается, т. е. тем самым изменяется (увеличивается) внутренняя энергия газа. С другой стороны, температуру газа и его внутреннюю энергию можно увеличить за счет сообщения ему некоторого количества теплоты — энергии, переданной системе внешними телами путем теплообмена (процесс обмена внутренними энергиями при контакте тел с разными температурами).

Таким образом, можно говорить о двух формах передачи энергии от одних тел к другим: работе и теплоте. Энергия механического движения может превращаться в энергию теплового движения, и наоборот. При этих превращениях соблюдается закон сохранения и превращения энергии; применительно к термодинамическим процессам этим законом и является первое начало термодинамики, установленное в результате обобщения многовековых опытных данных.

Допустим, что некоторая система (газ, заключенный в цилиндр под поршнем), обладая внутренней энергией U1, получила некоторое количество теплоты Q и, перейдя в новое состояние, характеризующееся внутренней энергией U2, совершила работу А над внешней средой, т. е. против внешних сил. Количество теплоты считается положительным, когда оно подводится к системе, а работа — положительной, когда система совершает ее против внешних сил. Опыт показывает, что в соответствии с законом сохранения энергии при любом способе перехода системы из первого состояния во второе изменение внутренней энергии U=U2–U1 будет одинаковым и равным разности между количеством теплоты Q, полученным системой, и работой А, совершенной системой против внешних сил:

или

  

Уравнение (51.1) выражает первое начало термодинамики: теплота, сообщаемая системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение ею работы против внешних сил

Круговые, обратимые и необратимые процессы

Круговым процессом (или циклом) называется процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное. На диаграмме процессов цикл изображается замкнутой кривой (рис. 84). Цикл, совершаемый идеальным газом, можно разбить на процессы расширения (12) и сжатия (21) газа.

Прямой цикл используется в тепловых двигателях — периодически действующих двигателях, совершающих работу за счет полученной извне теплоты. Обратный цикл используется в холодильных машинах — периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой.

Термодинамический процесс называется обратимым, если он может происходить как в прямом, так и в обратном направлении, причем если такой процесс происходит сначала в прямом, а затем в обратном направлении и система возвращается в исходное состояние, то в окружающей среда и в этой системе не происходит никаких изменений. Всякий процесс, не удовлетворяющий этим условиям, является необратимым.

Любой равновесный процесс является обратимым. Обратимость равновесного процесса, происходящего в системе, следует из того, что се любое промежуточное состояние есть состояние термодинамического равновесия; для него «безразлично», идет процесс в прямом или обратном направлении. Реальные процессы сопровождаются диссипацией энергии (из-за трения, теплопроводности и т. д.), которая нами не обсуждается. Обратимые процессы — это идеализация реальных процессов. Их рассмотрение важно по двум причинам: 1) многие процессы в природе и технике практически обратимы; 2) обратимые процессы являются наиболее экономичными; имеют максимальный термический коэффициент полезного действия, что позволяет указать пути повышения к. п. д. реальных тепловых двигателей.

Основываясь на втором начале термодинамики, Карно вывел теорему, носящую теперь его имя: из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей и холодильников, наибольшим кпд обладают обратимые машины, при этом кпд обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей и холодильников, равны друг другу и не зависят от конструкции машины.Цикл, изученный Карно, является самым экономичным и представляет собой круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. рассмотрим прямой цикл Карно, в котором в качестве рабочего тела используется идеальный газ, заключенный в сосуд с подвижным поршнем. Определим его кпд.

Цикл Карно схематически изображен на рис.55, где изотермическое расширение и сжатие задано соответственно кривыми 1-2 и 3-4, а адиабатические расширение и сжатие - кривыми 2-3 и 4-1.

-кпд

для цикла Карно кпд действительно определяется только температурой нагревателя холодильника.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

18296. МНОЖИНА ДОДАТНИХ РАЦІОНАЛЬНИХ ЧИСЕЛ. АРИФМЕТИЧНІ ОПЕРАЦІЇ НАД ДОДАТНИМИ РАЦІОНАЛЬНИМИ ЧИСЛАМИ 363.5 KB
  Лекція 23 МНОЖИНА ДОДАТНИХ РАЦІОНАЛЬНИХ ЧИСЕЛ. АРИФМЕТИЧНІ ОПЕРАЦІЇ НАД ДОДАТНИМИ РАЦІОНАЛЬНИМИ ЧИСЛАМИ Задача розширення поняття числа. Короткі історичні відомості про виникнення раціональних і дійсних чисел. Сумірні відрізки. Вимірювання відрізків сум...
18297. ДЕСЯТКОВІ ДРОБИ 177.5 KB
  Лекція 24 ДЕСЯТКОВІ ДРОБИ Поняття про десятковий дріб. Поширення позиційного принципу запису до запису десяткових дробів. Властивості десяткових дробів. Поняття про процент відсоток. Алгоритми арифметичних операцій над десятковими дробами. Перетворе
18298. МНОЖИНА ДОДАТНИХ ДІЙСНИХ ЧИСЕЛ. МНОЖИНА ДІЙСНИХ ЧИСЕЛ 188.5 KB
  Лекція 25 МНОЖИНА ДОДАТНИХ ДІЙСНИХ ЧИСЕЛ. МНОЖИНА ДІЙСНИХ ЧИСЕЛ Несумірні відрізки. Існування несумірних відрізків. Вимірювання несумірного з одиничним відрізком. Нескінченні неперіодичні десяткові дроби. Відємні дійсні числа. Число нуль. Множина д...
18299. ВИРАЗИ. Вирази із замінимим та їх основні характеристики 109 KB
  Лекція 26 ВИРАЗИ Числовий вираз і його значення. Числові рівності і їх властивості. Числові нерівності та їх властивості. Вирази із замінимим та їх основні характеристики. Відношення тотожності на множині виразів. Тотожні перетворення на множині вира...
18300. РІВНЯННЯ. Лінійні рівняння з однією зміною та їх розв’язування 80 KB
  Лекція 27 РІВНЯННЯ Рівняння з однією зміною як предикат та його основні характеристики. Рівносильні рівняння. Теореми про рівносильність рівнянь та наслідки з них. Лінійні рівняння з однією зміною та їх розвязування з аналізом використаної при цьому теор
18301. НЕРІВНОСТІ З ОДНІЄЮ ЗМІННОЮ 204.5 KB
  Лекція 28 НЕРІВНОСТІ З ОДНІЄЮ ЗМІННОЮ Нерівності з однією змінною як предикат та їх основні характеристики. Рівносильні нерівності. Теорема про рівносильність нерівностей та наслідки з них. Лінійні нерівності з однією змінною та їх розвязування з аналі...
18302. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ГЕОМЕТРІЇ 95 KB
  Лекція 29 ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ГЕОМЕТРІЇ Короткі історичні відомості про виникнення геометрії. Система геометричних понять шкільного курсу геометрії. Поняття про геометричну фігуру. Ламана та її основні характеристики. Плоскі геометричні фігури ламана...
18303. ПРОСТОРОВІ ГЕОМЕТРИЧНІ ФІГУРИ 167.5 KB
  Лекція 30 ПРОСТОРОВІ ГЕОМЕТРИЧНІ ФІГУРИ Просторові геометричні фігури та їх зображення на площині. Поняття про геометричне тіло. Многогранники. Теорема Ейлера про многогранники без доведення. Питання на самостійне опрацювання Тіла оберта
18304. ПОНЯТТЯ ПРО ВЕЛИЧИНУ ТА ЇХ ВИМІРЮВАННЯ 77 KB
  Лекція 31 ПОНЯТТЯ ПРО ВЕЛИЧИНУ ТА ЇХ ВИМІРЮВАННЯ Відображення властивостей дійсного світу через поняття величини. Додатні адитивноскалярні величини ті їх властивості. Поняття про вимірювання величин. Види величин. Довжина відрізка її основні властиво...