4)Адиабатный процесс:

Q=0; U=-Aгаза

Билет№34 Изменение внутринней энергии тела в результате передачи ему кол-во теплоты зависит от свойств данного в-ва и его состояния

С- удельная теплоемкость

∆U=Q=cm∆T

C=Q/m∆T=∆U/m∆T

При изохорном процессе

∆V=0 Aг=0 ∆U=0

∆U=imR∆T/2M c= iR/2M

C=iR/2 – молярная теплоемкость – это теплоемкость 1 моля газа.

При постоянном довлении:

P=const

Сp=q/m∆T Q=∆U+Aг ∆U=imR∆T/2M A=mR∆T/M Q= mR∆T(i/2+1) /M cp=R(i/2+1)/M cp>cv cp=cv+R

Билет№35 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ МАШИН. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ.КПД

Любая тепловая машина состоит из трех основных частей: 

1. Нагреватель передает рабочему телу тепловой машины энергию в виде тепла. 

2. Холодильник забирает от рабочего тела неизрасходованную часть тепловой энергии. Чаще всего в качестве холодильника используется окружающая среда. 

3. Система, которая обменивается энергией (теплотой) с внешней средой или другими системами и совершает работу, называется рабочим телом.

Работа любой тепловой машины состоит из повторяющихся цикл или круговых процессов (циклов). Циклическим или круговым процессом называется такая последовательность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние. Каждый цикл включает в себя:

1. получение рабочим телом энергии от нагревателя;

2. расширение рабочего тела и совершение им работы;

3. передачу неиспользованной части энергии холодильнику и возвращение в исходное состояние.

Коэффициент полезного действия (КПД):

  Для тепловой машины   – это работа совершенная рабочим телом (А), а   - это количество теплоты, полученное от нагревателя (ΔQ₁): КПД характеризует эффективность работы тепловой машины. С изучением вопроса о максимальном КПД тепловых машин исторически связано открытие второго начала термодинамики.  В середине 19 века Клаузиус и Томсон предложили эквивалентные формулировки второго начала термодинамики.  В Настоящее время второе начало термодинамики формулируют следующим образом: В природе невозможен такой циклический процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты получаемой от нагревателя в работу. Подчеркнем, что речь идет о невозможности циклического обратимого процесса т. е. нециклический процесс, в ходе которого все количество подведенной извне теплоты преобразуется в работу, в природе существовать может. Поскольку всю полученную теплоту рабочее тело не может преобразовать в работу, то какое-то количество теплоты оно будет «терять», т.е. отдавать холодильнику. Это означает, что КПД тепловой машины никогда не может быть равным единице.  Итак, краткая формулировка второго начала термодинамики: Нельзя построить вечный двигатель второго рода. Инженер Сади Карно, обосновал две теоремы. Первая теорема Карно: Коэффициент полезного действия теплового двигателя, работающего по циклу Карно, не зависит от свойств рабочего тела и конструкции двигателя, а определяется только температурой нагнетателя Т₁ и холодильника Т₂:  Из первой теоремы следует, что КПД цикла Карно:

1. всегда меньше единицы и увеличивается при повышении температуры нагнетателя Т₁ или при понижении температуры холодильника Т₂, т.е. при уменьшении отношения  ;

2. приближается к единице только в том случае, если температура холодильника Т₂ стремиться к абсолютному нулю.

Вторая теорема Карно:

Из всех циклических процессов в термодинамике, идущих при данных минимальной и максимальной температурах, наибольшим коэффициентом полезного действия обладает цикл Карно.

Рис.4 Цикл Карно

Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат: 1-2 – изотермическое расширение при температуре Т₁; 2-3 – адиабатное расширение с понижением температуры до значения Т₂; 3-4 – изотермическое сжатие при температуре Т₂; 4-1 адиабатное сжатие с повышением температуры до первоначального значения Т₁, восстановление исходных значений давления и объема.  По прямому циклу работают двигатели внутреннего сгорания, а кондиционеры, холодильники и тепловые насосы - по обратному. К сожалению, диаграммы работы реальных машин далеки от диаграммы цикла Карно, и поэтому их КПД не превышает 50%. 

Виды тепловых двигателей:

• Паровые турбины

• Газовые турбины

• Двигатели внутреннего сгорания

• Реактивный двигатель

Двигатель внутреннего сгорания.

• 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.

 Среди способов увеличения КПД тепловых двигателей один оказался особенно эффективным. Сущность его состояла в устранении части потерь теплоты перенесением места сжигания топлива и нагревания рабочего тела внутрь цилиндра.

   Отсюда и происхождение названия — «двигатель внутреннего сгорания».

   Первый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 г. французским инженером Этьеном Ленуаром, но эта машина была еще весьма несовершенной.

   В 1862 г. французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1) всасывание; 2) сжатие; 3) горение и расширение; 4) выхлоп. Эта идея была использована немецким изобретателем Н. Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания. КПД этого двигателя достигал 22%, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов.

   Развитие нефтяной промышленности в конце XIX в. дало новые виды топлива — керосин и бензин. В бензиновом двигателе для более полного сгорания топлива перед впуском в цилиндр его смешивают с воздухом в специальных смесителях, называемых карбюраторами. Воздушно-бензиновую смесь называют горючей смесью.

   Для полного сгорания в составе смеси на один килограмм бензина должно приходиться не менее пятнадцати килограммов воздуха. Это означает, что рабочим телом в двигателях внутреннего сгорания фактически является воздух, а не пары бензина. В отличие от паровых машин здесь топливо сжигается для нагревания газа, а не для превращения жидкости в пар. Правда, наряду с нагреванием воздуха происходит и частичное изменение его состава: вместо молекул кислорода появляется несколько большее количество молекул углекислого газа и водяного пара. Азот, составляющий более 3/4 воздуха, испытывает лишь нагревание.

   При движении поршня от верхнего положения до нижнего через впускной клапан происходит засасывание горючей смеси в цилиндр (рис. 116).

Этот процесс происходит при постоянном давлении. При обратном ходе поршня начинается сжатие горючей смеси. Сжатие происходит быстро, и поэтому процесс близок к адиабатическому. На диаграмме pV ему соответствует участок АВ (рис. 117).

В конце такта сжатия происходит воспламенение горючей смеси электрической искрой. Быстрое сгорание паров бензина сопровождается передачей рабочему телу — воздуху — количества тепла, резким возрастанием температуры, давления воздуха и продуктов сгорания. За короткое время горения смеси поршень практически не изменяет своего положения в цилиндре, поэтому процесс нагревания газа в цилиндре можно считать изохорическим и изобразить его на диаграмме pV участком ВС.

   Под действием давления горячих газов поршень совершает рабочий ход, газы адиабатически расширяются от объема V₁ до объема V₂; этому процессу соответствует на диаграмме pV адиабата CD.

   В конце рабочего такта открывается выпускной клапан и рабочее тело соединяется с окружающей атмосферой. Выпуск отработанных газов сопровождается передачей количества тепла Q₂ окружащему воздуху, играющему роль охладителя.

   Для поршневых двигателей внутреннего сгорания важной характеристикой, определяющей полноту сгорания топлива и значительно влияющей на величину КПД, является степень сжатия горючей смеси:

,

где V₂ и V₁ — объемы в начале и в конце сжатия. С увеличением степени сжатия возрастает начальная температура горючей смеси в конце такта сжатия, что способствует более полному ее сгоранию. В карбюраторных двигателях увеличению степени сжатия выше 8—9 препятствует самовоспламенение (детонация) горючей смеси, происходящее еще до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки. Это явление оказывает разрушающее действие на двигатель и снижает его мощность и КПД. Достигнуть высоких степеней сжатия без детонации удалось увеличением скорости движения поршня при повышении числа оборотов двигателя до 5—6 тыс. об/мин и применением бензина со специальными антидетонационными присадками.

   Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания широко применяются в автомобильном транспорте. Они приводят в движение почти все легковые и многие грузовые автомобили.

Билет №36 Закон сохранения электрического заряда

В природе есть два заряда + и - , докажем это на опыте. Возьмём 2 полоски бумаги ширеной 1 см, проведем пластмассовой ручкой по обеим бумажкам, возьмём эти две бумажки и поднесем, друг к другу, их концы будут отталкиваться, это значит, они заряжены одноименными зарядами, если мы возьмем и поднесем одну бумажку к этой же ручке, то конец бумажки притянется к ручке.

Этот опыт, доказывает не только существования зарядов, но и еще, то, что одно именные заряды отталкиваются. А противоположные притягиваются.

Для обнаружения и измерения эл. зарядов применяется электрометр.

Электрометр состоит из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Стержень со стрелкой закреплен в плексигласовой втулке и помещен в металлический корпус цилиндрической формы, закрытый стеклянными крышками.

При сообщении заряда, стрелка отклоняется на некоторый угол.

В результате электризации тел при соприкосновении на них всегда возникают электрические заряды, равные по модулю и противоположные по знаку.

Внутри изолированной системы при любых взаимодействиях алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной, это экспериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда.

Билет №37 Закон Кулона

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов изучает электростатика.

Основной закон электростатики был экспериментально установлен Ш. Кулоном. В опытах Кулона измерялись силы взаимодействия заряженных шаров. На тонкой проволоке была подвешена стеклянная палочка с двумя металлическими шарами на концах. Одному из них сообщался электрический заряд, против него устанавливался другой неподвижный шар. Сила взаимодействия определялась по углу поворота стеклянной палочки, закручивающей нить подвеса. Расстояние между центрами шаров не трудно было измерить.

У кулона не было метода измерения заряда на шарах, но он интересный приём дробления заряда. Кулон пришёл к выводу, что при соприкосновении металлического шара с зарядом q с незаряженным шаром такого же радиуса электрический заряд разделяется на две равные части и на каждом шаре оказывается заряд q/2.

Модуль F силы взаимодействия двух неподвижных шаров прямо пропорционален произведению модулей зарядов |q₁| и |q_2| и обратно пропорционален квадрату расстояния r между ними:

|F| =k

Взаимодействие неподвижных зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием.

Основной закон электростатики:

Два точечных неподвижных электрических заряда взаимодействуют в вакууме с силой, пропорциональной произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

k = 9*10⁹ Н*м²/Кл²

Вместо коэффициента k часто используется другой коэффициент - электрическая постоянная:

= = 8.85*10^-12 Кл²/Н*м²

Тогда закон Кулона будет записан так:

F =

Принцип суперпозиции. Опыт показывает, что сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов q₁ и q₂ не изменяется при появлении около них третьего заряда q₃, четвёртого и т.д. Силы взаимодействия F₁₂, F₁₃, …, F_1n заряда q₁ с каждым из зарядов определяются по закону Кулона, а результирующая сила взаимодействия F₁ является геометрической суммой векторов сил, с которыми взаимодействует заряд q₁ с каждым из этих зарядов: