Опыт№5.3 Двигатель внутреннего сгорания.

Цель работы: рассмотреть ДВС и понять принцип его работы.

Оборудование:

1. Цилиндр.

2. Поршень.

3. Шатун.

4. Коленвал.

5. Впускной клапан.

6. Выпускной клапан.

7. Свеча зажигания.

Рис.52. Демонстрация опыта

Рис.53. Демонстрация опыта

Вывод: Двигатель внутреннего сгорания — тепловой двигатель, в котором сгорание горючей смеси и преобразование выделенной при этом теплоты в механическую работу происходит внутри замкнутой рабочей полости (в цилиндре) двигателя. Действие поршневого двигателя внутреннего сгорания основано на использовании давления теплового расширения нагретых газов во время движения поршня. Нагревание газов происходит в результате сгорания в цилиндре топливно-воздушной смеси. Для повторения цикла отработанную газовую смесь нужно выпустить в конце движения поршня и заполнить новой порцией топлива и воздуха. В крайнем положении происходит поджог топлива от искры свечи. Впуск и выпуск топлива и продуктов сгорания происходят через клапана, управляемые механизмом газораспределения и системой подачи топлива.

Опыт№5.4 Паровой двигатель.

Цель работы: познакомиться с паровым двигателем и понять принцип его работы.

Оборудование:

1. Поршень.

2. Шток.

3. Ползун.

4. Шатун.

5. Кривошип.

6. Главный вал.

7. Маховик.

8. Центробежный регулятор.

Рис.54. Демонстрация опыта

Вывод: Паровая машина — тепловой поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала.

5.3 Теорема Клаузиуса. Энтропия

Теорема Клаузиуса (1854 г.): сумма приведенных теплот не зависит от пути перехода.

Для каждого элементарного процесса

,

а – равенство (неравенство) Клаузиуса (49)

справедливо для любого кругового процесса.

Рис.55.

Для обратимого цикла 1а2б1 интеграл (49) можно представить в виде:

или

. (50)

Независимость интеграла (50), выражающего сумму приведенных теплот для обратимого процесса от пути следования процесса означает, что интеграл зависит лишь от начального и конечного состояния тела. Подынтегральное выражение является полным дифференциалом некоторой функции S, называемой энтропия.

Как и внутренняя энергия, энтропия есть функция параметров системы P, V и Т:

S = S (P,V,T),

где S имеет размерность теплоемкости.

Энтропия есть такая функция состояния системы, дифференциал которой связан с элементарным тепловым эффектом в обратимом процессе соотношением:

dQ = TdS.

Приращение энтропии равно отношению элементарного количества тепла, полученного системой, к температуре, при которой тепло получается.

Для обратимого кругового процесса ∆S = 0.

Для необратимого кругового процесса ∆S> 0.

Для произвольного процесса имеем:

∆S ≥ 0. (51)

Энтропия изолированной системы при любых происходящих в ней процессах не может убывать (или постоянна, или возрастает).

Следствие:

а) энтропия изолированной системы при обратимых процессах не изменяется:

(∆S = 0);

б) энтропия изолированной системы при необратимых процессах возрастает:

(∆S> 0);

в) все реальные процессы необратимы, энтропия их возрастает.

Возрастание энтропии определяет направление процесса (в сторону возрастания).

Второй закон термодинамики (ещё одна формулировка):

В изолированной системе при всех реальных процессах энтропия возрастает.

Естественные процессы направлены к состоянию равновесия, а так как при этом энтропия увеличивается, то устойчивому равновесию изолированной системы соответствует максимальное значение энтропии.

Согласно уравнению (51), если система не изолирована (обмен теплом с внешней средой), то энтропия может вести себя любым образом (возрастать при получении тепла и убывать при его отдаче).

Легко вычислить изменение энтропии системы при обратимом процессе, приводящем систему в состояние с одинаковой для обоих тел температурой Т₀. Оно равно:

,

где С_т – теплоёмкость тел,

Т₁ и Т₂ – температуры тел (Т₁>T₂).

Объединим первый и второй законы термодинамики:

,

dA ≤ TdS–dU,

dA ≥ dU – TdS = d(U – TS),

_. (52)

Величина F в уравнении (52) называется свободной энергией и является функцией состояния.

Из соотношения (52) следует:

F – представляет ту часть внутренней энергии системы, которая превращается во внешнюю работу.

TS – называется связанной энергией, определяет рассеяние энергии.