I historijska referenca.

1) M.V. Lomonosov je, provodeći koherentno rezonovanje i jednostavne eksperimente, došao do zaključka da „uzrok toplote leži u unutrašnjem kretanju čestica vezane materije... Vrlo je poznato da se toplota pobuđuje kretanjem: ruke se zagrevaju od međusobno trenje, drvo se zapali, varnice lete kada silicijum udari u čelik, gvožđe se zagreva kada se njegove čestice kovaju snažnim udarcima"

2) B. Rumford, koji je radio u fabrici topova, primetio je da se pri bušenju cevi topa veoma zagreje. Na primjer, stavio je metalni cilindar težak oko 50 kg u kutiju s vodom i, bušivši cilindar bušilicom, doveo je vodu u kutiji do ključanja za 2,5 sata.

3) Davy je napravio zanimljiv eksperiment 1799. godine. Dva komada leda, trljajući jedan o drugi, počela su se topiti i pretvarati u vodu.

4) Brodski doktor Robert Mayer je 1840. godine, dok je plovio ka ostrvu Java, primijetio da je nakon oluje voda u moru uvijek toplija nego prije.

Obračun rada.

U mehanici se rad definiše kao proizvod modula sile i pomaka: A=FS. Kada se razmatraju termodinamički procesi, ne uzima se u obzir mehaničko kretanje makrotijela u cjelini. Koncept rada ovdje je povezan sa promjenom volumena tijela, tj. pokretni delovi makrotela jedan u odnosu na drugi. Ovaj proces dovodi do promjene udaljenosti između čestica, a često i do promjene brzine njihovog kretanja, dakle, do promjene unutrašnje energije tijela.

Neka u cilindru sa pokretnim klipom ima gasa na temperaturi T 1 (Sl.). Polako ćemo zagrijati plin na temperaturu T 2. Plin će se izobarično širiti i klip će se pomjeriti iz položaja 1 u poziciju 2 udaljenost Δ l. U ovom slučaju, sila pritiska gasa će izvršiti rad na spoljnim tijelima. Jer str= const, zatim sila pritiska F = PS takođe konstantan. Stoga se rad ove sile može izračunati po formuli A=F Δ l=PS Δ l=str Δ V, A=p Δ V

gdje je ∆ V- promjena zapremine gasa. Ako se zapremina gasa ne menja (izohorni proces), tada je rad koji obavlja gas jednak nuli.

Zašto se unutrašnja energija tijela mijenja tokom kontrakcije ili širenja? Zašto se plin zagrijava kada se kompresuje i hladi kada se širi?

Razlog za promjenu temperature plina tokom kompresije i ekspanzije je sljedeći: prilikom elastičnih sudara molekula sa pokretnim klipom, njihova kinetička energija se mijenja.

• Ako je plin komprimiran, tada prilikom sudara, pokretni klip prenosi dio svoje energije na molekule. mehanička energija, zbog čega se plin zagrijava;

• Ako se plin širi, tada se nakon sudara s klipom koji se povlači, brzine molekula smanjuju. usled čega se gas hladi.

Prilikom kompresije i širenja mijenja se i prosječna potencijalna energija interakcije molekula, jer se u tom slučaju mijenja prosječna udaljenost između molekula.

Posao spoljne sile deluje na gas

• Kada je gas komprimovan, kadaΔ V = V 2 - V 1 < 0 , A>0, smjerovi sile i pomaka su isti;
• Kada se širi, kadaΔ V = V 2 - V 1 > 0 , A<0, направления силы и перемещения противоположны.

Napišimo Clapeyron-Mendelejevu jednačinu za dva plinska stanja:

pV 1 = m/M*RT 1 ; pV 2 =m/M* RT 2 ⇒

str(V 2 − V 1 )= m/M*R(T 2 − T 1 ).

Dakle, u izobarnom procesu

A= m/M*RΔ T.

Ako m = M(1 mol idealnog gasa), zatim na Δ Τ = 1 K dobijamo R = A. Otuda slijedi fizičko značenje univerzalne plinske konstante: numerički je jednak radu koji izvrši 1 mol idealnog gasa kada se izobarično zagreje za 1 K.

Geometrijska interpretacija djela:

Na grafu p = f (V) za izobarični proces, rad je jednak površini pravokutnika zasjenjenog na slici a).

Ako proces nije izobaričan (slika b), onda kriva str = f(V) može se predstaviti kao izlomljena linija koja se sastoji od velikog broja izohora i izobara. Rad na izohornim presjecima jednak je nuli, a ukupan rad na svim izobarnim presjecima bit će jednak površini osjenčane figure. U izotermnom procesu ( T= const) rad je jednak površini osenčene figure prikazane na slici c.

Osnovne formule termodinamike i molekularne fizike koje će vam dobro doći. Još jedan sjajan dan za praktične časove fizike. Danas ćemo okupiti formule koje se najčešće koriste u rješavanju problema iz termodinamike i molekularne fizike.

Pa idemo. Pokušajmo ukratko navesti zakone i formule termodinamike.

Idealan gas

Idealan gas je idealizacija, kao materijalna tačka. Molekuli takvog gasa su materijalne tačke, a sudari molekula su apsolutno elastični. Zanemarujemo interakciju molekula na udaljenosti. U problemima termodinamike, pravi gasovi se često uzimaju za idealne gasove. Mnogo je lakše živjeti na ovaj način i ne morate se baviti puno novih pojmova u jednadžbama.

Dakle, šta se dešava sa idealnim molekulima gasa? Da, kreću se! I razumno je zapitati se kojom brzinom? Naravno, osim brzine molekula, zanima nas i opšte stanje našeg gasa. Koliki pritisak P vrši na zidove posude, koliki volumen V zauzima, kolika mu je temperatura T.

Da bi se sve ovo saznalo postoji idealna gasna jednačina stanja, odn Clapeyron-Mendeljejeva jednadžba

Evo m je masa gasa, M - njegovu molekulsku masu (nalazimo prema periodnom sistemu), R - univerzalna plinska konstanta, jednaka 8,3144598 (48) J / (mol * kg).

Univerzalna plinska konstanta može se izraziti u terminima drugih konstanti ( Boltzmannova konstanta i Avogadrov broj )

misaat , zauzvrat, može se izračunati kao proizvod gustina I volumen .

Osnovna jednadžba teorije molekularne kinetike (MKT)

Kao što smo već rekli, molekuli gasa se kreću, a što je temperatura viša, to je brže. Postoji veza između pritiska gasa i prosečne kinetičke energije E njegovih čestica. Ova veza se zove osnovna jednadžba molekularne kinetičke teorije i izgleda ovako:

Evo n je koncentracija molekula (odnos njihovog broja i zapremine), E je prosječna kinetička energija. Možete ih pronaći, kao i srednju kvadratnu brzinu molekula, koristeći formule:

Zamijenimo energiju u prvu jednačinu i dobićemo drugi oblik glavne jednačine MKT

Prvi zakon termodinamike. Formule za izoprocese

Podsjećamo da prvi zakon termodinamike kaže: količina topline koja se prenese na plin ide na promjenu unutrašnje energije plina U i na obavljanje rada A od strane plina. Formula prvog zakona termodinamike se piše na sljedeći način :

Kao što znate, nešto se dešava sa gasom, možemo ga komprimovati, možemo ga zagrejati. U ovom slučaju nas zanimaju takvi procesi koji se odvijaju na jednom konstantnom parametru. Razmotrite kako izgleda prvi zakon termodinamike u svakom od njih.

Između ostalog! Za sve naše čitaoce postoji popust 10% na bilo kakvu vrstu posla.

Izotermno proces radi na konstantnoj temperaturi. Ovdje djeluje Boyle-Mariotteov zakon: u izotermnom procesu, pritisak gasa je obrnuto proporcionalan njegovoj zapremini. U izotermnom procesu:

radi konstantnom jačinom zvuka. Ovaj proces karakteriše Charlesov zakon: Pri konstantnoj zapremini, pritisak je direktno proporcionalan temperaturi. U izohoričnom procesu, sva toplota dovedena gasu ide da promeni njegovu unutrašnju energiju.

radi pod konstantnim pritiskom. Gay-Lussacov zakon kaže da je pri konstantnom pritisku zapremina gasa direktno proporcionalna njegovoj temperaturi. U izobaričnom procesu, toplota ide i da promeni unutrašnju energiju i da izvrši rad na gasu.

. Adijabatski proces je proces koji se odvija bez razmene toplote sa okolinom. To znači da formula za prvi zakon termodinamike za adijabatski proces izgleda ovako:

Unutrašnja energija monoatomskog i dvoatomskog idealnog gasa

Toplotni kapacitet

Specifična toplota jednak je količini toplote koja je potrebna da se jedan kilogram supstance podigne za jedan stepen Celzijusa.

Pored specifičnog toplotnog kapaciteta, postoje molarni toplotni kapacitet (količina toplote potrebna da se temperatura jednog mola supstance podigne za jedan stepen) pri konstantnoj zapremini, i molarni toplotni kapacitet pri konstantnom pritisku. U formulama ispod, i je broj stupnjeva slobode molekula plina. Za jednoatomni gas i=3, za dvoatomni gas - 5.

Termalne mašine. Formula efikasnosti u termodinamici

toplotni motor , u najjednostavnijem slučaju, sastoji se od grijača, hladnjaka i radnog fluida. Grejač daje toplotu radnom fluidu, radi, zatim ga hladi frižider i sve se ponavlja napolju. o v. Tipičan primjer toplotnog motora je motor sa unutrašnjim sagorevanjem.

Efikasnost toplotni motor se izračunava po formuli

Tako smo prikupili osnovne formule termodinamike, koje će biti korisne u rješavanju problema. Naravno, ovo nisu sve formule iz teme termodinamike, ali njihovo znanje zaista može dobro obaviti posao. I ako imate bilo kakvih pitanja, zapamtite studentska služba, čiji su stručnjaci spremni u svakom trenutku priskočiti u pomoć.

Rad na plin

1. Prvi zakon termodinamike

Postojanje dva načina prenošenja energije u termodinamički sistem omogućava nam da analiziramo sa energetske tačke gledišta ravnotežni proces prelaska sistema iz bilo kog početnog stanja 1 u drugo stanje 2 . Promjena unutrašnje energije sistema

 U 1-2 = U 2 - U 1

u takvom procesu jednak je zbiru radaA’ 1-2 vrši na sistemu spoljnim silama i toplotomQ 1-2 prijavljeni sistem:

 U 1-2 = A ’ 1-2 + Q 1-2 (2. 3 )

PosaoA’ 1-2 brojčano jednak i suprotan po predznaku raduA 1-2 izvodi sam sistem protiv vanjskih sila u istom procesu tranzicije:

A’ 1-2 = - A 1-2 .

Stoga se izraz (2.6) može drugačije napisati:

Q 1-2 =  U 1-2 + A 1-2 (2. 3 )

Prvi zakon termodinamike: toplota data sistemu troši se na promenu unutrašnje energije sistema i na vršenje rada sistema protiv spoljašnjih sila.

 Q = dU +  A (2. 3 )

dU - unutrašnja energija, je totalni diferencijal.

QI Anisu potpuni diferencijali.

Q 1-2 =
(2. 3 )

.

Istorijski gledano, uspostavljanje prvog zakona termodinamike bilo je povezano s neuspjehom da se stvori vječni motor prve vrste (perpetuum mobile), u kojem bi mašina radila bez primanja topline izvana i bez trošenja bilo kakve energije. Prvi zakon termodinamike govori o nemogućnosti izrade takvog motora.

Q 1-2 =  U 1-2 + A 1-2

1. Primjena prvog zakona termodinamike na izoprocese.

   1. izobarni proces.

R= konst

A = = str ( V 2 - V 1 ) = str  V ,

gde je p pritisak gasa, V je promjena njegovog volumena.

JerPV 1 = RT 1 ; PV 2 = RT 2,

ondaV 2 - V 1 = (T 2 – T 1 ) I

A = R(T 2 – T 1 ); (2. 3 )

Dakle, dobijamo touniverzalna gasna konstanta R jednak je radu mola idealnog gasa kada njegova temperatura poraste za jedan Kelvin pri konstantnom pritisku.

Uzimajući u obzir izraz (2.10), jednadžba prvog zakona termodinamike (2.8) može se napisati na sljedeći način

 Q = dU + pdV. (2.3)

1. Izohorni proces

V = konst, Shodno tome,dV = 0

 A =str V = 0

 Q =  U.

 Q =  U = R T (2. 3 )

1. Izotermni proces

T =konst,

U = 0 unutrašnja energija idealnog gasa se ne menja, i

Q =  ALI

A = =
= RTln (2. 3 )

Da se temperatura gasa ne bi smanjila pri ekspanziji, potrebno je gasu tokom izotermnog procesa dopremati količinu toplote koja je ekvivalentna spoljašnjem radu ekspanzije, tj. A = Q.

U praksi, što se proces sporije odvija, to se preciznije može smatrati izotermnim.

G Grafički, rad tokom izotermnog procesa numerički je jednak površini osjenčane projekcije na Sl.

Upoređujući površine figura ispod presjeka izoterme i izobare, možemo zaključiti da širenje plina iz zapremineV 1 do jačineV 2 pri istoj početnoj vrijednosti tlaka plina, u slučaju izobarnog širenja, to je praćeno izvođenjem većeg posla.

1. Toplotni kapacitet gasova

toplotni kapacitetOD bilo kojeg tijela je omjer beskonačno male količine toploted Q koje tijelo primi do odgovarajućeg prirastadT njegova temperatura:

C tijelo = (2. 3 )

Ova vrijednost se mjeri u džulima po kelvinu (J/K).

Kada je masa tijela jednaka jedan, toplotni kapacitet se naziva specifična toplota. Označava se malim slovom s. Mjeri se u džulima po kilogramu. . kelvin (J/kg . K). Postoji veza između toplotnog kapaciteta mola supstance i specifičnog toplotnog kapaciteta iste supstance

(2. 3 )

Koristeći formule (2.12) i (2.15), možemo pisati

(2. 3 )

Od posebnog značaja su toplotni kapaciteti pri konstantnoj zapreminiOD V i stalni pritisakOD R . Ako volumen ostane konstantan, ondadV = 0 i prema prvom zakonu termodinamike (2.12) sva toplota odlazi na povećanje unutrašnje energije tela

 Q = dU (2. 3 )

Iz ove jednakosti slijedi da je toplinski kapacitet mola idealnog plina pri konstantnoj zapremini jednak

(2. 3 )

OdavdedU  = C V dT, a unutrašnja energija jednog mola idealnog gasa je

U  = C V T (2. 3 )

Unutrašnja energija proizvoljne mase gasaT određuje se formulom

(2. 3 )

S obzirom na to za 1 mol idealnog gasa

U = RT,

i brojanje stepena slobodei nepromijenjen, za molarni toplinski kapacitet pri konstantnom volumenu dobijemo

C v = = (2. 3 )

Specifični toplotni kapacitet pri konstantnoj zapremini

od v = = (2. 3 )

Za proizvoljnu masu gasa, relacija je tačna:

 Q = dU = RdT; (2. 3 )

Ako se plin zagrijava pri konstantnom pritisku, tada će se plin širiti, vršeći pozitivan rad na vanjske sile. Prema tome, toplotni kapacitet pri konstantnom pritisku mora biti veći od toplotnog kapaciteta pri konstantnoj zapremini.

Ako 1 mol gasa naizobaričan procesu je data količina toplote Qzatim uvođenje koncepta molarnog toplotnog kapaciteta pri konstantnom pritisku S R = može se napisati

 Q = C str dT;

gdje je C str je molarni toplotni kapacitet pri konstantnom pritisku.

Jer prema prvom zakonu termodinamike

 Q =  A+dU=RdT+RdT=

=(R +R)dT = (R +OD V )dT,

onda

OD R ==R+OD V . (2. 3 )

Ovaj omjer se zoveMayerova jednadžba :

Izraz za C R može se napisati i kao:

OD R = R + R =
. (2. 3 )

Specifični toplotni kapacitet pri konstantnom pritiskuod str definirati dijeljenjem izraza (2.26) sa :

od str =
(2. 3 )

U izobaričnoj komunikaciji sa gasom masemkoličinu toplote Qnjegova unutrašnja energija se povećava za U = C V  T, i količinu topline koja se prenosi na plin tokom izobarnog procesa, Q= C str  T.

Označavanje omjera toplinskih kapaciteta pismo , dobijamo

(2. 3 )

Očigledno,  1 i zavisi samo od vrste gasa (broj stepena slobode).

Iz formula (2.22) i (2.26) proizilazi da su molarni toplotni kapaciteti određeni samo brojem stupnjeva slobode i ne zavise od temperature. Ova izjava vrijedi u prilično širokom temperaturnom rasponu samo za jednoatomne plinove sa samo translacijskim stupnjevima slobode. Za dvoatomske gasove, broj stepeni slobode, koji se manifestuje u toplotnom kapacitetu, zavisi od temperature. Dvoatomski molekul gasa ima tri translaciona stepena slobode: translacioni (3), rotacioni (2) i vibracioni (2).

Dakle, ukupan broj stepeni slobode dostiže 7 i za molarni toplotni kapacitet pri konstantnoj zapremini treba dobiti: C V = .

Iz eksperimentalne zavisnosti molarnog toplotnog kapaciteta vodonika proizlazi da je S V ovisno o temperaturi: na niskoj temperaturi ( 50 K) OD V = , na sobnoj temperaturi V = i veoma visoko - V = .

Nesklad između teorije i eksperimenta objašnjava se činjenicom da se pri izračunavanju toplotnog kapaciteta mora uzeti u obzir kvantizacija energije rotacije i vibracije molekula (nisu moguće bilo kakve rotacijske i vibracijske energije, već samo određeni diskretni niz energetskih vrednosti). Ako je energija toplotnog kretanja nedovoljna, na primjer, za pobuđivanje oscilacija, tada te oscilacije ne doprinose toplinskom kapacitetu (odgovarajući stupanj slobode je "zamrznut" - na njega se ne primjenjuje zakon ravnomjerne raspodjele energije). Ovo objašnjava uzastopno (na određenim temperaturama) pobuđivanje stupnjeva slobode koji apsorbiraju toplinsku energiju, a prikazano na Sl. 13 ovisnost C V = f ( T ).

··· Oryol Izdanje ···

G.A.BELUKHA,
škola broj 4, Livny, oblast Oryol

Rad gasa u termodinamici

Prilikom proučavanja rada gasa u termodinamici, studenti se neizbežno susreću sa poteškoćama zbog nedovoljne veštine u proračunu rada promenljive sile. Stoga je potrebno pripremiti se za sagledavanje ove teme, počevši već od proučavanja rada u mehanici i u tu svrhu rješavanja zadataka za rad promjenljive sile zbrajanjem elementarnih radova duž cijele putanje korištenjem integracije.

Na primjer, kada se računa rad Arhimedove sile, elastične sile, univerzalne gravitacijske sile itd. mora se naučiti zbrajati elementarne veličine uz pomoć jednostavnih diferencijalnih odnosa tipa dA = fds. Iskustvo pokazuje da se srednjoškolci lako mogu nositi s ovim zadatkom - luk putanje na kojem se sila povećava ili smanjuje mora se podijeliti na takve intervale ds, na kojoj je sila F može se smatrati konstantnom vrijednošću, a zatim, znajući zavisnost F = F(s), zamijenite ga pod predznakom integrala. Na primjer,

Rad ovih sila izračunava se korištenjem najjednostavnijeg tabličnog integrala

Ova tehnika olakšava adaptaciju budućih studenata na percepciju predmeta fizike na fakultetu i eliminiše metodološke poteškoće povezane sa sposobnošću pronalaženja rada promjenjive sile u termodinamici itd.

Nakon što su učenici naučili šta je unutrašnja energija i kako pronaći njenu promjenu, preporučljivo je dati generalizirajuću shemu:

Naučivši da je rad jedan od načina za promjenu unutrašnje energije, učenici desetog razreda lako izračunavaju rad plina u izobarnom procesu. U ovoj fazi mora se naglasiti da se sila pritiska gasa ne menja do kraja, a prema trećem Njutnovom zakonu | F 2 | = |F 1 |, nalazimo znak rada iz formule A = fs cos. Ako je = 0°, onda A> 0, ako je = 180°, onda A < 0. На графике зависимости R(V) rad je brojčano jednak površini ispod grafika.

Pustite da se plin širi ili skuplja izotermno. Na primjer, plin se komprimira ispod klipa, tlak se mijenja i to u bilo kojem trenutku

Sa beskonačno malim pomakom klipa za dl dobijamo beskonačno malu promjenu volumena dV, i pritisak R može se smatrati trajnim. Analogno pronalaženju mehaničkog rada promjenljive sile, sastavljamo najjednostavniji diferencijalni odnos dA = pdV, zatim i znajući zavisnost R (V), pisati Ovo je tablični integral tipa Rad gasa u ovom slučaju je negativan, jer = 180°:

jer V 2 < V 1 .

Rezultirajuća formula se može prepisati koristeći relaciju

Hajde da riješimo problem da ga popravimo.

1. Gas prolazi iz države 1 (volumen V 1, pritisak R 1) u državi 2 (volumen V 2, pritisak R 2) u procesu u kojem njegov pritisak linearno zavisi od zapremine. Pronađite rad gasa.

Rješenje. Napravimo približni graf zavisnosti str od V. Rad je jednak površini ispod grafikona, tj. površina trapeza:

2. Jedan mol vazduha u normalnim uslovima se širi od zapremine V 0 do 2 V 0 na dva načina - izotermni i izobarični. Uporedite rad koji vazduh obavlja u ovim procesima.

Rješenje

Izobarnim procesom Ap = R 0 V, ali R 0 = RT 0 /V 0 , V = V 0, dakle Ap = RT 0 .

U izotermnom procesu:

uporedi:

Proučavajući prvi zakon termodinamike i njegovu primjenu na izoprocese i fiksirajući temu rada u termodinamici rješavanjem zadataka, studenti su se pripremili za sagledavanje najtežeg dijela termodinamike, “Rad ciklusa i efikasnost toplotnih motora” . Ovaj materijal predstavljam sledećim redosledom: rad ciklusa - Carnotov ciklus - efikasnost termičkih motora - kružni procesi.

Kružni proces (ili ciklus) je termodinamički proces, uslijed kojeg se tijelo, nakon što prođe kroz niz stanja, vraća u prvobitno stanje. Ako su svi procesi u ciklusu u ravnoteži, onda se smatra da je ciklus u ravnoteži. Može se grafički predstaviti kao zatvorena kriva.

Slika prikazuje grafik pritiska str od volumena V(dijagram str, V) za neki ciklus 1–2–3–4–1. Na parcelama 1–2 I 4–1 gas se širi i čini pozitivan rad ALI 1, brojčano jednak površini figure V 1 412V 2. Lokacija uključena 2–3–4 gas se komprimira i radi ALI 2, čiji je modul jednak površini figure V 2 234V jedan . Ukupan rad gasa po ciklusu ALI = ALI 1 + ALI 2 , tj. pozitivna i jednaka površini figure 12341 .

Ako je ravnotežni ciklus predstavljen zatvorenom krivom na R, V-dijagram koji se vrti u smjeru kazaljke na satu, tada je rad tijela pozitivan, a ciklus se naziva ravan. Ako je zatvorena kriva uključena R, V-dijagram se zaobilazi u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, tada plin radi negativan rad po ciklusu, a ciklus se naziva obrnutim. U svakom slučaju, modul rada plina po ciklusu jednak je površini figure ograničene grafikom ciklusa na R, V-dijagram.

U kružnom procesu, radno tijelo se vraća u prvobitno stanje, tj. u stanje originalne unutrašnje energije. To znači da je promjena unutrašnje energije po ciklusu nula: U= 0. Pošto je, prema prvom zakonu termodinamike, za ceo ciklus Q = U + A, onda Q = A. Dakle, algebarski zbir svih primljenih količina toplote po ciklusu jednak je radu tela po ciklusu: A c = Q n + Q x = Q n - | Q x |.

Razmotrimo jedan od kružnih procesa - Carnotov ciklus. Sastoji se od dva izotermna i dva adijabatska procesa. Neka radni fluid bude idealan gas. Zatim na sajtu 1–2 izotermno širenje, prema prvom zakonu termodinamike, sva toplina koju primi plin ide za obavljanje pozitivnog rada: Q 12 = A 12 . Odnosno, nema gubitka toplote u okolnom prostoru i nema promene unutrašnje energije: U= 0, jer T 12 = konst (jer je plin idealan).

Lokacija uključena 2–3 adijabatskog širenja, gas radi pozitivan rad zbog promene unutrašnje energije, jer Q pakao=0= U 23 + A g23 A r23 = - U 23. Ovdje također nema gubitka topline, po definiciji adijabatskog procesa.

Lokacija uključena 3–4 pozitivan rad na gas vrši vanjska sila, ali se on ne zagrijava (izotermni proces). Zahvaljujući prilično sporom procesu i dobrom kontaktu sa hladnjakom, plin ima vremena da energiju primljenu radom u obliku topline preda hladnjaku. Sam plin ima negativan rad: Q 34 = A g34< 0.

Lokacija uključena 4–1 plin se komprimira adijabatski (bez prijenosa topline) u prvobitno stanje. Istovremeno, on radi negativan rad, a vanjske sile pozitivno rade: 0 = U 41 + A g41 A r41 = - U 41 .

Dakle, tokom ciklusa, gas prima toplotu samo u tom području 1–2 izotermno se širi:

Toplota se predaje hladnjaku samo kada je plin izotermno komprimiran u tom području 3–4 :

Prema prvom zakonu termodinamike

A c = Q n - | Q x|;

Efikasnost mašine koja radi po Carnotovom ciklusu može se naći po formuli

Prema Boyle-Mariotteovom zakonu za procese 1–2 I 3–4 , kao i Poissonova jednačina za procese 2–3 I 4–1 , to je lako dokazati

Nakon redukcija, dobijamo formulu za efikasnost toplotnog motora koji radi prema Carnotovom ciklusu:

Rad toplotnih motora koji rade na obrnuti ciklus metodički je ispravno, kako pokazuje iskustvo, proučavati na primjeru rada obrnutog Carnotovog ciklusa, jer reverzibilan je i može se izvesti u obrnuti smjer: za širenje gasa kako temperatura pada od T n to T x (proces 1–4 ) i na niskoj temperaturi T x (proces 4–3 ), a zatim komprimirati (proces 3–2 I 2–1 ). Motor sada radi na pogonu rashladnog uređaja. Radni fluid oduzima količinu toplote Q x za hranu unutra na niskoj temperaturi T x, i daje količinu toplote Q na okolnim tijelima, van frižidera, na višoj temperaturi T n. Dakle, mašina koja radi po obrnutom Carnot ciklusu nije više termalna mašina, već idealna rashladna mašina. Ulogu grijača (daje toplinu) obavlja tijelo niže temperature. Ali, zadržavajući nazive elemenata, kao kod toplotnog motora koji radi na direktnom ciklusu, možemo predstaviti blok dijagram hladnjaka u sljedećem obliku:

Imajte na umu da toplota iz hladnog tela prelazi u rashladnoj mašini na telo sa više visoke temperature ne spontano, već zbog rada vanjske sile.

Najvažnija karakteristika frižidera je koeficijent performansi, koji određuje efikasnost frižidera i jednak je odnosu količine toplote oduzete iz frižidera. Q x na utrošenu energiju vanjskog izvora

U jednom obrnutom ciklusu radni fluid prima iz frižidera količinu toplote Q x i odaje u okolni prostor određenu količinu toplote Q n šta više Q x na posao A dv koju izvodi elektromotor na plin po ciklusu: | Q n | = | Q x | + ALI dv.

Energija koju troši motor (električna energija u slučaju kompresorskih električnih frižidera) koristi se za koristan rad na plinu, kao i za gubitke kada se namoti motora zagrijavaju električnom strujom. Q R i trenje u shemi ALI tr.

Ako zanemarimo gubitke trenja i džulovu toplinu u namotajima motora, tada se koeficijent performansi

S obzirom na to u direktnom ciklusu

nakon jednostavnih transformacija dobijamo:

Poslednji odnos između koeficijenta performansi i efikasnosti toplotnog motora, koji može da radi i u obrnutom ciklusu, pokazuje da koeficijent performansi može biti veći od jedan. U tom slučaju, toplina se uzima iz odjeljka hladnjaka i vraća u prostoriju više od energije koju koristi motor.

U slučaju idealnog toplotnog motora koji radi na obrnutom Carnotovom ciklusu (idealan frižider), koeficijent performansi ima maksimalnu vrijednost:

U pravim frižiderima, jer ne ide sva energija koju dobije motor za rad na radnom fluidu, kao što je gore opisano.

Hajde da riješimo problem:

Procijenite cijenu izrade 1 kg leda u kućnom frižideru ako je temperatura isparavanja freona t x °S, temperatura radijatora t n °C. Cijena jednog kilovat-sata električne energije jednaka je C. Temperatura u prostoriji t.

Dato:

m, c, t, t n, t x, , C.
____________
D - ?

Rješenje

Trošak D izrade leda jednak je umnošku rada elektromotora i tarife C: D = CA.

Da biste vodu pretvorili u led na temperaturi od 0 °C, potrebno je ukloniti količinu topline iz nje Q = m(ct+ ). Približno smatramo da se obrnuti Carnotov ciklus odvija preko freona sa izotermama na temperaturama T n i T X. Koristimo formule za koeficijent performansi: po definiciji, = Q/A a za idealan frižider id = T X /( T n - T X). Iz uslova proizilazi da je id.

Zajedno rješavamo posljednje tri jednadžbe:

Prilikom analize ovog zadatka sa učenicima, potrebno je obratiti pažnju da glavni zadatak rashladnog uređaja nije hlađenje namirnica, već održavanje temperature unutar frižidera periodičnim ispumpavanjem toplote koja prodire kroz zidove frižidera. frižider.

Da popravite temu, možete riješiti problem:

Efikasnost toplotnog motora koji radi u ciklusu koji se sastoji od izotermnog procesa 1–2 , izohorni 2–3 i adijabatski 3–1 , je jednako , a razlika između maksimalne i minimalne temperature plina u ciklusu je jednaka T. Pronađite rad mola jednoatomskog idealnog gasa u izotermnom procesu.

Rješenje

Prilikom rješavanja problema u kojima je uključena efikasnost ciklusa, korisno je preliminarno analizirati sve dijelove ciklusa koristeći prvi zakon termodinamike i identificirati područja u kojima tijelo prima i odaje toplinu. Hajde da mentalno nacrtamo niz izotermi R, V-dijagram. Tada će postati jasno da je maksimalna temperatura u ciklusu na izotermi, a minimalna - uklj. 3 . Označimo ih sa T 1 i T 3 respektivno.

Lokacija uključena 1–2 promena unutrašnje energije idealnog gasa U 2 – U 1 = 0. Prema prvom zakonu termodinamike, Q 12 = (U 2 – U 1) + ALI 12 . Od na sajtu 1–2 gas se proširio, zatim rad koji je izvršio gas ALI 12 > 0. Dakle, količina topline dovedena u plin u ovom dijelu Q 12 > 0, i Q 12 = ALI 12 .

Lokacija uključena 2–3 rad koji obavlja gas je nula. Zbog toga Q 23 = U 3 – U 2 .

Korištenje izraza U 2 = c V T 1 i činjenica da T 1 – T 3 = T, dobijamo Q 23 = –životopis T < 0. Это означает, что на участке 2–3 gas prima negativnu količinu toplote, tj. odaje toplotu.

Lokacija uključena 3–1 nema prenosa toplote, tj. Q 31 = 0 i, prema prvom zakonu termodinamike, 0 = ( U 1 – U 3) + A 31 . Zatim rad koji obavlja gas
A 31 = U 3 – U 1 = životopis(T 3 –T 1) = –životopis T.

Dakle, za ciklus, gas je obavio posao A 12 + ALI 31 = ALI 12 – životopis T a grijao se samo na parceli 1–2 . efikasnost ciklusa

Pošto je rad gasa na izotermi

Genadij Antonovič Beluha- Zaslužni učitelj Ruske Federacije, pedagoško iskustvo od 20 godina, svake godine njegovi učenici osvajaju nagrade na različitim etapama Sveruske olimpijade iz fizike. Hobiji - kompjuterska tehnologija.

>>Fizika: Rad u termodinamici

Kao rezultat kojih procesa se unutrašnja energija može promijeniti? Već znate da postoje dvije vrste takvih procesa: obavljanje posla i prijenos topline. Počnimo s poslom. Čemu je jednak pri sabijanju i širenju gasa i drugih tijela?
Rad u mehanici i termodinamici. IN mehanika rad je definiran kao proizvod modula sile, modula pomaka tačke njene primjene i kosinusa ugla između njih. Kada sila djeluje na tijelo koje se kreće, rad je jednak promjeni njegove kinetičke energije.
IN kretanje tijela u cjelini se ne razmatra, govorimo o kretanju dijelova makroskopskog tijela jedan prema drugom. Kao rezultat toga, volumen tijela se može promijeniti, a njegova brzina ostaje jednaka nuli. Rad u termodinamici definiran je na isti način kao i u mehanici, ali nije jednak promjeni kinetičke energije tijela, već promjeni njegove unutrašnje energije.
Promjena unutrašnje energije pri obavljanju posla. Zašto se unutrašnja energija tijela mijenja kada se tijelo skuplja ili širi? Zašto se zrak posebno zagrijava kada napumpate gumu bicikla?
Razlog za promjenu temperature plina tokom njegove kompresije je sljedeći: prilikom elastičnih sudara molekula gasa sa klipom u pokretu, njihova kinetička energija se menja. Dakle, kada se kreće prema molekulima plina, klip im prenosi dio svoje mehaničke energije prilikom sudara, uslijed čega se plin zagrijava. Klip se ponaša kao fudbaler koji šutira leteću loptu. Noga daje lopti brzinu koja je mnogo veća od one koju je imala prije udara.
Suprotno tome, ako se plin širi, tada nakon sudara s klipom koji se povlači, brzine molekula se smanjuju, zbog čega se plin hladi. Isto važi i za fudbalera, kako bi smanjio brzinu leteće lopte ili je zaustavio - noga fudbalera se udaljava od lopte, kao da mu ustupa mesto.
Prilikom kompresije ili ekspanzije mijenja se i prosječna potencijalna energija interakcije molekula, jer se u tom slučaju mijenja prosječna udaljenost između molekula.
Obračun rada. Izračunajmo rad u zavisnosti od promene zapremine na primeru gasa u cilindru ispod klipa ( sl.13.1).

Najlakši način je prvo izračunati ne rad sile koja djeluje na plin sa strane vanjskog tijela (klipa), već rad koji vrši sila pritiska plina, djelujući na klip sa silom. Prema trećem Newtonovom zakonu . Modul sile koja djeluje sa strane plina na klip jednak je , gdje str je pritisak gasa, i S je površina klipa. Pustite da se plin izobarično širi i klip se pomakne u smjeru sile za malu udaljenost . Pošto je pritisak gasa konstantan, rad gasa je:

Ovaj rad se može izraziti u vidu promene zapremine gasa. Njegov početni volumen V 1 \u003d Sh 1, i finale V 2 \u003d Sh 2. Zbog toga

gdje je promjena zapremine gasa.
Prilikom širenja plin radi pozitivan rad, jer se smjer sile i smjer kretanja klipa poklapaju.
Ako je plin komprimiran, formula (13.3) za rad plina ostaje važeća. Ali sada , i zbog toga (sl.13.2).

Posao A, koji vrše vanjska tijela na plinu, razlikuje se od rada samog plina A´ jedini znak: , budući da je sila koja djeluje na plin usmjerena protiv sile i pomak klipa ostaje isti. Dakle, rad vanjskih sila koje djeluju na plin jednak je:

Kada je plin komprimiran, kada je , rad vanjske sile je pozitivan. Ovako bi trebalo da bude: kada je gas komprimovan, pravci sile i pomeranje tačke njene primene se poklapaju.
Ako se pritisak ne održava konstantnim, tada tokom ekspanzije gas gubi energiju i prenosi je na okolna tela: klip koji se diže, vazduh itd. Gas se tada hladi. Kada je plin komprimiran, naprotiv, vanjska tijela prenose mu energiju i plin se zagrijava.
Geometrijska interpretacija djela. rad A´ gas za slučaj konstantnog pritiska može se dati jednostavno geometrijsko tumačenje.
Konstruišemo graf zavisnosti pritiska gasa od zapremine koju on zauzima ( sl.13.3). Ovdje je površina pravougaonika abdc, ograničen rasporedom p1=const, os V i segmenti ab I cd, jednako pritisku gasa, numerički je jednako radu (13.3):

U principu, pritisak gasa ne ostaje konstantan. Na primjer, u izotermnom procesu, smanjuje se obrnuto s volumenom ( sl.13.4). U ovom slučaju, da biste izračunali rad, trebate podijeliti ukupnu promjenu volumena na male dijelove i izračunati elementarni (mali) rad, a zatim ih sve sabrati. Rad plina je još uvijek numerički jednak površini figure ograničene grafom zavisnosti str od V, osa V i segmenti ab I cd, jednak pritiscima p1, p2 u početnom i konačnom stanju gasa.

???
1. Zašto se plinovi zagrijavaju kada se komprimiraju?
2. Pozitivan ili negativan rad vrše vanjske sile tokom izotermnog procesa prikazanog na slici 13.2?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fizika 10. razred

Sadržaj lekcije sažetak lekcije podrška okvir prezentacije lekcije akcelerativne metode interaktivne tehnologije Vježbajte zadaci i vježbe samoispitivanje radionice, treninzi, slučajevi, potrage domaća zadaća diskusija pitanja retorička pitanja učenika Ilustracije audio, video i multimedija fotografije, slike grafike, tabele, šeme humor, anegdote, vicevi, strip parabole, izreke, ukrštene reči, citati Dodaci sažetakačlanci čipovi za radoznale cheat sheets udžbenici osnovni i dodatni glosar pojmova ostalo Poboljšanje udžbenika i lekcijaispravljanje grešaka u udžbeniku ažuriranje fragmenta u udžbeniku elementi inovacije u lekciji zamjenom zastarjelih znanja novim Samo za nastavnike savršene lekcije kalendarski plan za godinu metodološke preporuke programa diskusije Integrisane lekcije

Ako imate ispravke ili prijedloge za ovu lekciju,