? Запитання для самоперевірки

1. У чому полягає негативна дія теплових машин на довкілля?

2. Які методи захисту довкілля наразі використовуються?

3. Якими є шкідливі наслідки від роботи теплоелектростанцій?

4. Що ви знаєте про вплив парникового ефекту на клімат?

5. Що впливає на стан озонового шару атмосфери?

6. Чи веде підвищення коефіцієнта корисної дії теплових машин до зниження рівня забруднення довкілля?

7. Чому людству слід економити вугілля, нафту та іншу сировину, а не спалювати її для отримання теплової енергії?

8. Які ви знаєте альтернативні джерела енергії?

9. Назвіть нетрадиційні способи одержання і перетворення енергії?

10. Чи є тепловий насос енергозберігаючим пристроєм?

11. Назвіть приклади високоефективних джерел і перетворювачів енергії.

Лабораторна робота №6 Вивчення принципу дії холодильної машини

Мета: вивчення роботи побутового холодильника та визначення його характеристик

Обладнання: холодильник побутовий

Теоретичні відомості

Найважливішою характеристикою холодильної машини є холодильний коефіцієнт, який дорівнює відношенню кількості теплоти, що відбирається від холодильної камери, до роботи електродвигуна (витрати електроенергії):

ε = = ,

де Q_{1 –} кількість теплоти, яку віддає робоче тіло нагрівнику (кімнаті).

В ідеальній холодильній машині максимальний холодильний коефіцієнт дорівнює:

ε_max =

у реальних машинах –

ε_p <

Ще однією характеристикою холодильної машини є холодопродуктивність, що показує, яку кількість теплоти q здатна відбирати машина в охолоджуваних тіл за одиницю часу:

q= .

Якщо холодильну камеру винести на вулицю, а теплообмінник залишити у приміщенні, то при виконанні компресором роботи А за рахунок електроенергії від холодного повітря на вулиці буде відібрано кількість теплоти Q_2. Натомість теплому повітрю у кімнаті буде передано кількість теплоти |Q₁| = Q₂+A.

У цьому випадку холодильник працюватиме як тепловий насос. Ефективність такого теплового насоса характеризується опалювальним коефіцієнтом:

K_max =

Хід роботи

10. Ознайомитися з будовою побутового холодильника, що використовується у фізичному кабінеті.

11. Скласти план дослідження його ефективності.

12. Встановити, яка кількість теплоти відбирається від холодильної камери за певний час і яку роботу при цьому виконує компресор.

13. Оцініть ефективність роботи холодильника.

14. Розрахуйте кількість теплоти, що передається теплообмінником навколишньому середовищу.

8. Оцініть ефективність роботи холодильника як теплового насоса в умовах досліду.

9. Обчисліть абсолютну і відносну похибки вимірювань. Запишіть здобуті результати з урахуванням похибки вимірювань.

10. Порівняйте здобуті результати і зробіть висновок щодо ефективності досліджених теплових машин.

§ 44. Приклади розв’язування задач. Теплові явища

Задачі на теплові явища умовно можна поділити на три групи, але їх розв’язують на основі закону збереження і перетворення енергії для теплових процесів – першого закону термодинаміки. До першої групи віднесемо задачі, для розв’язування яких необхідно застосувати власне перший закон термодинаміки: , де – робота, виконувана тілом.

Задачі другої групи – це задачі, в яких, за умовою, кількість теплоти , що надається тілу або тілам у процесі теплообміну з іншими тілами, які входять до замкненої системи, витрачається тільки на збільшення внутрішньої енергії цих тіл (механічна робота з розширення або стиснення тіла чи тіл при цьому дорівнює нулю): .

У задачах третьої групи розглядається процес взаємодії тіл без теплообміну: . Тоді перший закон термодинаміки набуває вигляду . Інакше, внутрішня енергія тіла (тіл) змінюється за рахунок роботи, що виконується цим тілом. Зміна внутрішньої енергії визначатиметься відповідно до процесів, що відбуваються з тілом: нагрівання (охолодження), пароутворення (конденсація), плавлення (кристалізація).

Задача 1. Газ, що здійснює цикл Карно, за рахунок кожних 2 кДж енергії, отриманої від нагрівника, виконує роботу 300 Дж. Який ККД цього циклу? У скільки разів абсолютна температура нагрівника більша від абсолютної температури холодильника?

Дано: , .	Розв’язування Коефіцієнт корисної дії машини: ; ; . Відношення абсолютної температури нагрівника до абсолютної
=? =?

температури холодильника можна знайти, використавши вираз для ККД машини Карно:

.

Звідки: ; .

Відповідь: , .

Задача 2. У посудину, де знаходилася маса води і маса льоду при , впущено водяну пару, що має температуру (за нормального тиску). Після того, як лід розстав, у посудині встановилася температура . Яку масу пари впущено у воду, якщо теплоємність посудини ? Питома теплоємність води , пари ; питома теплота плавлення льоду ; питома теплота пароутворення .

Дано: , , = 273 К, = 423 К, = 303 К, , , , , .

Розв’язування Кількість теплоти, що віддана парою під час її охолодження до температури конденсації (пароутворення), . Кількість теплоти, що віддана парою під час її конденсації: . Кількість теплоти, яка віддана сконденсованою водою під час її охолодження до температури , . Кількість теплоти, отримана льодом під час його танення, . Кількість теплоти, отримана водою, що є в посудині, і водою із льоду, що розтанув, під час її нагрівання до температури , . Кількість теплоти, отримана посудиною у процесі її нагрівання до температури , . Складаємо рівняння теплового балансу: , Звідки знаходимо:

=?

кг.

Відповідь: = 255994,43 кг.

Задача 3. Два молі ідеального газу нагрівають на 10 К так, що температура газу змінюється пропорційно квадрату тиску. Яку роботу виконує газ під час нагрівання?

Дано: , К.		Розв’язування Рівняння такого процесу можна записати у вигляді , (1) де – коефіцієнт пропорційності. Робота, що виконується газом під час процесу, чисельно дорівнює площі під кривою залежності тиску газу від його об’єму. Виражаючи абсолютну температуру із рівняння стану ідеального газу:

і, підставляючи її в рівняння процесу (1), отримуємо:

або

Тиск газу в заданому процесі пропорційний об’єму газу (мал. 6.10), тобто робота газу у разі зміни об’єму від до дорівнює площі трапеції (заштрихована область на рисунку). Тоді

;

Із рівняння стану ідеального газу

. (2)

Підставивши рівняння (2) в рівняння процесу (1), одержимо:

, звідки .

;

Відповідь: А = 84 Дж.

Задача 4. Під дією зовнішніх сил об’єм і тиск ідеального одноатомного газу під час переходу зі стану 1 у стан 2 змінювались, як зображено на мал. 6.11. Визначити роботу зовнішніх сил, кількість теплоти, передану газу, і зміну внутрішньої енергії газу у цьому процесі.

Робота, що виконувалася над газом зовнішніми силами, дорівнює в одиницях pV площі трапеції під графіком процесу на мал. 6.11:

А = ﴾ ()V₁ – V₂ )

А =

Обчислимо зміну внутрішньої енергії газу:

ΔU = U₂ – U_1,

ΔU= ,

ΔU= 0,2 – 200·0,8) Дж=-40Дж.

Знак мінус означає, що в стані 2 газ має меншу внутрішню енергію, ніж у стані 1. Згідно з першим законом термодинаміки кількість набутої теплоти дорівнює:

Q= ΔU-A,

Q=- 40 Дж- 240 Дж=-200Дж.