Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Изотермический процесс. При изотермическом расширении идеальный газ совершает работу только за счет подводимой к нему
Рис. 52. Изотермы и адиабата идеального газа на р—V-диаграмме
: const
Рис. 51. Изобарическое нагревание газа
138
IV. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
теплоты, так что его внутренняя энергия во время такого процесса не меняется:
A' = Q, AU = 0. (19)
При изотермическом сжатии идеальный газ совершает отрицательную работу. При этом теплота от него отводится: Q < 0.
Тепловой двигатель. Тепловыми двигателями называют машины, которые преобразуют выделяющуюся при сжигании топлива внутреннюю энергию в механическую. Первые разные по конструкции и назначению паровые машины появились на рубеже XVII—XVIII веков в Англии и Франции. Спустя полстолетия И. Ползуновым в России и Д. Уаттом в Англии были созданы универсальные паровые машины, пригодные для различных нужд. Их появление произвело настоящую техническую революцию, что дало основание образно назвать последовавшее за этим столетие «веком пара».
Во второй половине XIX века появились двигатели внутреннего сгорания, получившие особенно большое распространение. Наиболее совершенными оказались так называемые четырехтактные двигатели, разработанные немецким конструктором И. Отто.
Применим первый закон термодинамики к анализу работы тепловой машины. Несмотря на большое разнообразие, все тепловые двигатели имеют общий принцип действия. Назначение любого периодически действующего теплового двигателя состоит в совершении механической работы за счет использования внутренней энергии, о чем кратко, но не совсем точно говорят как о превращении теплоты в работу.
Принципиальная схема любой тепловой машины, если отвлечься от ее конструктивных особенностей, выглядит так, как показано на рис. 53. Ее обязательными элементами являются два тепловых резервуара: нагреватель с некоторой температурой Ту и холодильник с температурой Т2, меньшей температуры нагревателя. Роль холодильника может выполнять окружающая среда. Если просто привести нагреватель в тепловой контакт с холодильником, то внутренняя энергия нагревателя будет передаваться холодильнику путем теплопередачи без совершения работы. Для совершения механической работы обязательно должно быть промежуточное звено — так называемое рабочее тело, в качестве которого может быть использован, например, газ в
Рис. 53. Принципиальная схема тепловой машины
§ 16. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
139
цилиндре, закрытом поршнем. У периодически действующей машины все процессы с рабочим телом повторяются, так что оно периодически возвращается в исходное состояние.
Цикл тепловой машины. Механическая работа совершается при расширении газа в цилиндре, при котором он проходит через ряд состояний вдоль некоторой кривой а на рис. 54. Для того чтобы рабочее тело вернулось в исходное состояние 1, газ в цилиндре нужно сжать, для чего над ним придется совершить работу. Но эта работа обязательно должна быть меньше, чем работа, совершенная газом при расширении. На р— F-диаграмме работа газа равна площади криволинейной трапеции под кривой а. Чтобы при сжатии газа совершилась меньшая работа, кривая сжатия Ъ должна лежать ниже кривой а: сжатие газа должно происходить при более низких температурах, чем расширение.
Разность площадей под кривыми а и Ь, т. е. площадь, ограниченная замкнутой кривой I—a—2—b—I, равна работе А', совершаемой рабочим телом за цикл. На основании первого закона термодинамики эта работа равна разности между теплотой Qlf полученной рабочим телом за цикл от нагревателя, и теплотой Q2, отданной им холодильнику, ибо рабочее тело после совершения цикла возвращается в исходное состояние, так что его внутренняя энергия принимает исходное значение:
A' = Ql-Qr (19)
КПД тепловой машины. Отношение совершенной за цикл работы А' к количеству теплоты Qlr полученному за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины г):
Максимально выгодной была бы тепловая машина, у которой вся полученная теплота Q, превращалась бы в работу: А' = Q,. Однако на основании опыта установлено, что это невозможно.
К обсуждению КПД тепловой машины мы еще вернемся при изучении второго закона термодинамики.
• Что такое функция состояния термодинамической системы? Какие физические величины, характеризующие систему, можно рассматривать как функции состояния?
• Поясните, почему внутренняя энергия термодинамической системы является функцией состояния.
Рис. 54. Цикл теплового двигателя на p-V-диаграмме
140
IV. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
• Что такое теплота и работа? Какова их связь с внутренней энергией? Поясните сходство и различие этих физических величин.
• Можно ли говорить о количестве теплоты или работы, запасенной системой? Являются ли теплота и работа функциями состояния системы?
• Пусть на рис. 49 слева от поршня цилиндр сообщается с атмосферой. Что в этом случае следует понимать под силой F, работа которой равна — р- АV? Чему равна эта сила, если давление газа в цилиндре равно р, а давление атмосферы равно ро?
