Внутренняя энергия, работа, кол-во теплоты, законы термодинамики и их применение, тепловые двигатели.

Внутренняя энергия, работа, кол-во
теплоты, законы термодинамики и их
применение, тепловые двигатели.


1) сформировать основные понятия
термодинамики.
2) сформулировать законы термодинамики.


Термодинамика - раздел физики изучающий
тепловые процессы, не учитывая
молекулярное строение тел.
Термодинамика –наука о наиболее общих
свойствах макроскопических систем,
находящихся в разновесном состоянии,
и закономерностях преобразования
различных форм энергии.
Определение:
Внутренняя энергия-это сумма кинетической
энергии хаотического теплового движения
частиц (атомов и молекул) тела и
потенциальной энергии их
взаимодействия.
 Обозначение: U
 Единицы измерения:[Дж]

Закон сохранения энергии:
При любых
процессах в
изолированной
термодинамическо
й системе
внутренняя
энергия остается
неизменной:
U=const
∆U=0
U  NE ,
k
m
N
NА  число молекул
M
3
кинетическая энергия
E  kT  одной молекулы
k 2
3 m
3
RT
U  NАkT U 
2M
2
i m
i
U
RT  pV
2M
2

где i – число степеней свободы молекул
газа (i = 3 для одноатомного газа и i =
5 для двухатомного газа)
m
V2
A 
RT ln
M
V1
P
1
2
Р2
V1
V2
Изотермическое расширение
A  0
V
A  pV
P
1
2
P
Изобарное расширение
A  0
V1
V2
V

ΔV = 0 работа газом не совершается
A  0
P
V

P
Работа, совершаемая газом в процессе его расширения (или
сжатия) при любом термодинамическом процессе, численно
равна площади под кривой, изображающей изменение состояния
газа на диаграмме (р,V).
P
Р1
P
1
S
S
Р2
V1
V2
V
V1
2
V2
V
Определение:
Энергия, кот орую получает или т еряет
тело при т еплопередаче, называет ся
количест вом т еплот ы.
Обозначение: Q
Единицы измерения: [Дж]

Нагревание или охлаждение.
Определение:
Удельная
теплоемкость-это
количество теплоты,
которое необходимо
сообщить 1кг вещества,
чтобы изменить его
температуру на 1К
Обозначение: с
Единицы измерения:
[ Дж/кг 0К]
Q  cmT
С – удельная
теплоёмкость вещества [
Дж/кг 0К], m – масса
[кг], ΔT – изменение
температуры [ 0K].
Кипение или конденсация.
Определение:
Удельная теплота
парообразования - это
количество теплоты,
необходимое для
превращения при
постоянной
температуре 1кг
жидкости в пар
Обозначение: r
Единицы измерения:
[ Дж/кг ]
Q  rm
r – удельная теплота
парообразования [ Дж/кг ]
Плавление или кристаллизация
Определение:
Удельная теплота
плавления - это
количество теплоты,
необходимое для
превращения 1кг
кристаллического
вещества при температуре
плавления в жидкость той
же температуры.
Обозначение: λ
Единицы измерения:
[ Дж/кг ]
Q  m
λ- удельная теплота
плавления вещества
[ Дж/кг ]
Сгорание топлива
Определение:
Удельная теплота
сгорания - это
количество теплоты,
выделяющееся при
полном сгорании
топлива массой 1 кг.
Обозначение: q
Единицы измерения:
[ Дж/кг ]
Q  qm
q – удельная теплота
сгорания топлива [ Дж/кг ]
Q1+Q2+Q3+…=0
Устройства, превращающие внутреннюю энергию
топлива в механическую энергию.
Ни один тепловой двигатель не может работать при
одинаковой температуре его рабочего тела и
окружающей среды
Тепловой двигатель совершает работу за счет
внутренней энергии в процессе перехода
теплоты от более горячих тел к более холодным.
Три основные части любого
теплового двигателя.
Нагреватель
Передает количество теплоты
Q1 рабочему телу
Q1
Совершает работу
рабочее
тело
Q2
холодильник
A  Q1  Q2
Потребляет часть полученного
количества теплоты Q2
A

Q
Q1  Q2

 100%
Q1
Q1 – количество теплоты полученное от нагревания Q1>Q2
Q2 - количество теплоты отданное холодильнику
Q 2<Q 1
A’ = Q 1- |Q 2| - работа совершаемая двигателем за цикл η < 1
 max
T1  T2

 100%
T1
T1 – температура нагревания
Т2 – температура холодильника
Парова́я турби́на (фр. turbine от лат. turbo вихрь,
вращение) — это тепловой двигатель непрерывного
действия, в лопаточном аппарате которого
потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного
пара преобразуется в кинетическую, которая в свою
очередь совершает механическую работу на валу.
Газовая турбина— это тепловой двигатель непрерывного
действия, в лопаточном аппарате которого энергия
сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую
работу на валу. Состоит из копрессора, соединённого
напрямую с турбиной, и камерой сгорания между ними.
(Термин Газовая турбина может также относится к
самому элементу турбина.)
Двигатель внутреннего
сгорания (сокращённо
ДВС) — это тип двигателя,
тепловая машина, в которой
химическая энергия
топлива, сгорающего в
рабочей зоне, преобразуется
в механическую работу.
Несмотря на то, что ДВС
являются относительно
несовершенным типом
тепловых машин, он очень
широко распространен,
например в транспорте.
Ди́зельный двиѓатель —
поршневой двигатель
внутреннего сгорания,
работающий по
принципу
воспламенения топлива
от сжатия. Дизельные
двигатели работают на
дизельном топливе (в
просторечии "солярка").
Парова́я маши́на — тепловой двигатель внешнего
сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в
механическую работу возвратно-поступательного
движения поршня, а затем во вращательное
движение вала. В более широком смысле паровая
машина — любой двигатель внешнего сгорания,
который преобразовывает энергию пара в
механическую работу.
Реактивный двигатель — двигатель-движитель,
создающий необходимую для движения силу тяги
посредством преобразования исходной энергии в
кинетическую энергию реактивной струи рабочего
тела. Рабочее тело с большой скоростью истекает из
двигателя, и в соответствии с законом сохранения
импульса образуется реактивная сила, толкающая
двигатель в противоположном направлении.
Двигатели
ДВС:
карбюраторный
дизельный
Турбины:
паровые
газовые
Реактивный
Мощность, кВт
КПД, %
1 – 200
15 - 2200
 25
 35
3  105
12  105
 30
 27
3  107
 80
При сжигании топлива в тепловых машинах
требуется большое количество кислорода. На
сгорание разнообразного топлива расходуется
от 10 до 25% кислорода, производимого
зелёными растениями
Тепловые машины не только сжигают кислород,
но и выбрасывают в атмосферу
эквивалентные количества двуокиси углерода
(углекислого газа). Сгорание топлива в
топках промышленных предприятий и
тепловых электростанций почти никогда не
бывает полным, поэтому происходит
загрязнение воздуха золой, хлопьями сажи.
Сейчас во всём мире обычные энергетические
установки выбрасывают в атмосферу
ежегодно 200 – 250 млн. т золы и около 60
млн. т диоксида серы.
Кроме промышленности воздух загрязняет и
транспорт, прежде всего автомобильный
(жители больших городов задыхаются от
выхлопных газов автомобильных
двигателей).