Тепловые машины и второе начало термодинамики | теория по физике 🧲 термодинамика

Определение

Тепловые машины — устройства, в которых за счет внутренней энергии топлива совершается механическая работа. Чтобы тепловая машина работала циклически, необходимо, чтобы часть энергии, полученной от нагревателя, она отдавала холодильнику.

Второе начало термодинамики

В циклически действующем тепловом двигателе невозможно преобразовать все количество теплоты, полученное от нагревателя, в механическую работу.

В тепловых машинах тепловые процессы замыкаются в цикле Карно. Так называют цикл, или идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов. В цикле Карно термодинамическая система выполняет механическую работу за счет обмена теплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры.

На графике цикл Карно представляется как две адиабаты и две изотермы:

  • 1–2 — изотермическое расширение;
  • 2–3 — адиабатное расширение;
  • 3–4 — изотермическое сжатие;
  • 4–1 — адиабатное сжатие.

КПД тепловой машины

Максимальный КПД соответствует циклу Карно.

Второе начало термодинамики

η=Qн−QхQн..100%=Qн−PхtQн..100%

Преобразовывая формулу, получим:

η=A‘Qн..100%

η=NtQн..100%

η=A‘A‘+Qх..100%

η=Tн−TхTн..100%

  1. Qн (Дж) — количество теплоты, полученное от нагревателя (полученное количество теплоты);
  2. Qх (Дж) — количество теплоты, отданное холодильнику (отданное количество теплоты);
  3. A’ (Дж) — работа, совершенная газом;
  4. N (Вт) — полезная мощность;
  5. t (с) — время;
  6. Tн (К) — температура нагревателя;
  7. Tх (К) — температура холодильника.

Важно! Температуру следует выражать только в кельвинах (К) и КПД не бывает больше 100%.

Алгоритм решения задач на определение КПД теплового процесса

Рассмотрим решение на примере конкретной задачи:

На p-V-диаграмме изображен цикл, проводимый с одноатомным идеальным газом. Определите КПД этого цикла.

  • Определить работу газа.

Если тепловой процесс представлен в осях (p, V), то можно определить работу, вычислив площадь фигуры, ограниченной замкнутым циклом:

A‘=p0V0

Если тепловой процесс представлен в других осях координат, то сначала следует его перестроить в осях (p, V) и только потом определять работу.

  • Выяснить, на каких этапах повышается температура газа. Именно здесь газ получает энергию:

1–2: V = const, давление увеличивается, температура увеличивается.

2–3: p = const, объем увеличивается, температура увеличивается.

3–4: V = const, давление понижается, температура понижается.

4–1: p = const, объем уменьшается, температура уменьшается.

Отсюда следует, что газ получает энергию только на первом и втором этапах.

  • Определить с помощью первого начала термодинамики количество теплоты, полученное газом:

1–2: V = const, A12’ = 0,

Q12=ΔU12=32..ΔpV=32..Δp0V0=1,5p0V0

1–2: p = const,

ΔU23=Q23−A23; 

ΔU23=32..ΔpV=32..2Δp0V0=3p0V0

A23=pΔV=2p0V0

Q23=3p0V0+2p0V0=5p0V0

Общее количество теплоты:

Qполуч=Q12+Q23=6,5p0V0

  • Вычислить КПД, используя основную формулу:

η=A‘Qполуч..100%

η=p0V06,5p0V0..100%=15,4%

Текст: Алиса Никитина, 7.9k 👀

Задание EF17648

За цикл, показанный на рисунке, газ получает от нагревателя количество теплоты Qнагр = 5,1кДж. КПД цикла равен 4/17. Масса газа постоянна. На участке 1–2 газ совершает работу

Ответ:

а) 1,2 кДж

б) 1,8 кДж

в) 2,6 кДж

г) 3,9 кДж


Алгоритм решения

1.Записать исходные данные и перевести единицы измерения величин в СИ.
2.Определить работу газа на заданном участке.
3.Выполнить решение в общем виде.
4.Выполнить вычисления, подставив известные данные.

Решение

Запишем исходные данные:

• Количество теплоты, переданное газу от нагревателя: Qнагр = 5,1 кДж.
• КПД цикла: η = 4/17.
• Масса постоянна: m = const.

5,1 кДж = 5,1∙103 Дж

Согласно графику, на участке 1–2 газ совершает работу, равную:

A=3p0(4V0−V0)=9p0V0

Полезная работа ограничивается площадью фигуры внутри циклического графика. Она равна:

Aползн=9p0V0−p0(4V0−V0)=6p0V0

Отсюда:

A=9Aползн6..

КПД тепловой машины есть отношение полезной работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

η=AползнQ..

Отсюда:

Aползн=ηQ

Ответ: б

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF18295

Температура нагревателя идеального теплового двигателя, работающего по циклу Карно, равна T1, а температура холодильника равна T2. За цикл двигатель получает от нагревателя количество теплоты Q1. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать.

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.


Алгоритм решения

1.Определить, от чего зависит КПД двигателя. Выбрать верную формулу.
2.Определить, как вычисляется работа, совершаемая за цикл. Выбрать верную формулу.

Решение

КПД двигателя определяется отношением разности температур нагревателя и холодильника к температуре нагревателя:

η=T1−T2T1..=1−T2T1..

Верный ответ для «А» — 1.

Работа, совершаемая за цикл, определяется произведением КПД на количество теплоты, полученного от нагревателя:

A=Qη=Q(T1−T2T1..)

Верный ответ для «Б» — 2.

.

Ответ: 12

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF18994

Рабочее тело идеальной тепловой машины с КПД, равным 0,25, за цикл своей работы получает от нагревателя количество теплоты, равное 8 Дж. Какова работа, совершаемая за цикл этой машиной?


Алгоритм решения

1.Записать исходные данные.
2.Записать формулу КПД тепловой машины.
3.Записать решение в общем виде.
4.Выполнить вычисление искомой величины.

Решение

Запишем исходные данные:

• КПД тепловой машины: η = 0,25.
• Количество теплоты, полученное газом от нагревателя за цикл: Q = 8 Дж.

Формула КПД тепловой машины:

η=AQ..

Отсюда:

Ответ: 2

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

ЕГЭ по физике

Вся теория

Механическое движение и его характеристики • Равномерное прямолинейное движение • Относительность механического движения • Неравномерное движение и средняя скорость • Ускорение при равноускоренном прямолинейном движении • Скорость при равноускоренном прямолинейном движении • Перемещение и путь при равноускоренном прямолинейном движении • Уравнение координаты при равноускоренном прямолинейном движении • Движение тела с ускорением свободного падения • Движение тела, брошенного горизонтально • Движение тела, брошенного под углом к горизонту • Движение по окружности с постоянной по модулю скоростью • Законы Ньютона. Динамика. • Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения. • Сила упругости и закон Гука • Сила трения • Вес тела • Применение законов Ньютона • Движение связанных тел • Динамика движения по окружности с постоянной по модулю скоростью • Импульс тела, закон сохранения импульса • Механическая работа и мощность • Механическая энергия и ее виды • Закон сохранения механической энергии • Применение закона сохранения энергии • Момент силы и правило моментов • Правило моментов при решении задач • Давление твердого тела • Давление в жидкостях и газах. Закон Паскаля. • Сообщающиеся сосуды • Архимедова сила • Основные положения МКТ и агрегатные состояния вещества • Основное уравнение МКТ идеального газа • Уравнение состояния идеального газа • Объединенный газовый закон и изопроцессы • Закон Дальтона • Испарение и конденсация, влажность воздуха • Внутренняя энергия вещества и способы ее изменения • Фазовые переходы и уравнение теплового баланса • Внутренняя энергия и работа идеального газа • Первое начало термодинамики • Электрический заряд. Закон Кулона • Электрическое поле и его характеристики • Электростатическое поле точечного заряда и заряженной сферы • Принцип суперпозиции сил и полей • Однородное электростатическое поле и его работа • Конденсаторы • Электрический ток и закон Ома • Амперметр и вольтметр. Правила включения. • Последовательное и параллельное соединение • Полная цепь • Работа и мощность электрического тока • Электрический ток в жидкостях, в полупроводниках, в вакууме, в газах • Магнитное поле и его характеристики • Принцип суперпозиции магнитных полей • Сила Ампера • Сила Лоренца • Электромагнитная индукция и магнитный поток • Правило Ленца • Закон электромагнитной индукции • Самоиндукция • Энергия магнитного поля тока • Механические колебания • Гармонические колебания • Электромагнитные колебания • Переменный электрический ток • Конденсатор, катушка и резонанс в цепи переменного тока • Механические волны • Механические волны в сплошных средах. Звук. • Электромагнитные волны • Cвет. Скорость света. Элементы теории относительности. • Отражение и преломление света. Законы геометрической оптики. • Линза. Виды линз. Фокусное расстояние. • Построение изображения в линзе • Формула тонкой линзы • Дисперсия света • Интерференция света • Дифракция света • Линейчатые спектры • Фотоэффект • Фотоны • Планетарная модель атома • Постулаты Бора • Радиоактивность • Нуклонная модель атома • Ядерные реакции • Элементы астрофизики •