Контрольные вопросы.

1. Сформулируйте первое начало термодинамики.

2. Напишите формулы для расчета элементарной и полной работы, совершаемой при расширении газа.

3. Объясните, как графически можно вычислить работу, совершаемую газом.

Лабораторная работа № 7. Термодинамические циклы.

Тепловыми двигателями называются устройства, в которых проис­ходит превращение теплоты в работу. Наибольшую работу при получении тепла от нагревателя совершает газ, расширяясь изотермически:

A = Q.

В тепловых двигателях этот процесс должен происходить многократно, а для этого после каждого расширения газ нужно снова сжать и привести в исходное состояние.

Работа сжатия нагретого газа равна работе его расширения, и выигрыша в работе нет. Поэтому после каждого расширения газ должен охлаждаться.

Рабочее вещество в любом тепловом двигателе последовательно приводится в тепловой контакт с горячими те­лами (нагреватели), получая от них некоторое количество теплоты Q₁, и с холодными телами (холодильники), отдавая им количество теплоты Q₂<Q₁, и периодически возвращается в первоначальное состояние. Такие процессы называют циклическими или круговыми.

Термодинамика утверждает, что невозможно всю теплоту Q₁, полу­ченную в круговом процессе от нагревателей, превратить в работу (2-й за­кон термодинамики). Согласно закону сохранения энергии (1-й закон термодинамики), работа, производимая двигателем, есть:

A = Q₁ - Q₂ .

Она равна заштрихованной площади на диаграмме Р(V).

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя назы­вают отношение

.

Для квазистатического осуществления любого другого циклического процесса необходим набор (бесконечный) нагревателей и холодильников с различными температурами.

В этом случае под Q₁ следует понимать полное количество теплоты, полученное рабочим веществом от всех нагревателей; под Q₂ - полное ко­личество теплоты, отданное всем холодильникам. К.п.д. произвольного циклического процесса всегда меньше, чем к.п.д. цикла Карно, произве­денного при максимальной температуре нагревателя и минимальной тем­пературе холодильника.

Холодильной машиной называется устройство, действующее по обратному циклу, в котором тепло передается от менее нагретого тела более нагретому. Как и тепловая машина, холодильная имеет нагреватель, холодильник и рабочее тело (газ). Расширение рабочего вещества происходит тогда, когда оно находится в контакте с холодильником и забирает от него тепло Q₂. За счет этого холодильник охлаждается ещё больше. Далее производится сжатие рабочего вещества и передача нагревателю тепла Q₁, полученного от холодильника. Нагреватель при этом нагревается ещё больше.

Расширение рабочего вещества производится по кривой, лежащей ниже, а сжатие - по кривой, лежащей выше, то есть цикл проводится против часовой стрелки. Передача тепла от холодильника к нагревателю осуществляется за счет произведенной над машиной работы А = Q₁ - Q₂ (например, с помощью электрического мотора).

Компьютерная модель тепловой машины для моля одноатомного идеального газа позволяет в данной работе исследовать 4 типа термодинамических циклов. Следует внимательно прочитать условие задачи и по характеру изменения параметров газа установить, какие процессы и какой цикл реализуются в данной задаче. С помощью соответствующей кнопки выбирается тип цикла. Для установки характерных точек цикла необ­ходимо сначала подвести курсор к вершине угла так, чтобы курсор принял вид кисти руки. Затем следует нажать левую кнопку мыши (при этом на курсоре пальцы руки сожмутся), при нажатой кнопке мыши переместить вершину угла в нужное место и кнопку отпустить.