1915

Библиографический список

[1, § 54, § 57–58]; [2, § 9.1, § 11.3, § 11.5];

[3, § 1.5, § 2.11, § 3.4]; [4, § II.4.3–II.4.5]; [5, § 4.7–4.8].

Лабораторная работа №9

ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Цели работы: вычисление работы, количества теплоты, изменения внутренней энергии и КПД термодинамического цикла. Сравнение КПД термодинамического цикла с циклом Карно. Проверка равенств: 1) ΔUцикла=0; 2) Ацикла=Qцикла.

Приборы и принадлежности: диаграмма с изображением прямого термодинамического цикла с указанием всех параметров газа.

Основы теории

Первое начало термодинамики. Связь между количеством теплоты, работой и внутренней энергией установлена в первом начале термодинамики, которое представляет собой выражение закона сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам.

Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение внутренней энергии системы и совершение системой работы:

Q = U + А. (1)

Под внутренней энергией системы понимают сумму кинетической и потенциальной энергий частиц, из которых состоит система. Внутренняя энергия является функцией состояния системы и для данного состояния имеет вполне определенное значение. Изменение внутренней энергии U есть разность двух значений внутренней энергии, соответствующих конечному и начальному состояниям системы:

Число степеней свободы i: для одноатомных молекул i = 3; для двухатомных молекул i = 5; если молекула содержит три и более атомов, i = 6.

Термодинамические процессы и циклы. Любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного из параметров, называют термодинамическим процессом.

Термодинамический процесс называют обратимым, если он может происходить как в прямом, так и в обратном направлении, при этом система возвращается в исходное состояние и в окружающей среде и в этой системе не произошло никаких изменений. Процесс, не удовлетворяющий этим условиям, будет необратимым.

Круговым процессом (или циклом) называют совокупность термодинамических процессов, в результате которых система

Прямой цикл реализуется в тепловых двигателях для превращения тепловой энергии в механическую. Обратные круговые процессы находят практическое применение в холодильниках, кондиционерах, тепловых насосах.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя.

Любой тепловой двигатель включает в себя три элемента: рабочее вещество (газ или пар), совершающее круговой процесс; нагреватель

процессе с одинаковыми температурами тел. Наличие конечной разности температур между телами приводит к необратимости процесса из-за невозможности теплообмена в обратном направлении от холодного тела к горячему. Переходы между изотермами в цикле Карно могут быть осуществлены только адиабатически (без теплообмена), так как отсутствует контакт рабочего вещества с телами, имеющими промежуточные температуры от Т1 и Т2. В других циклах, имеющих практическое значение, температуры, при которых рабочее вещество получает или отдаёт тепло, не постоянны. В реальных тепловых двигателях процессы теплопередачи (к рабочему веществу и от него) протекают настолько быстро, что изменения внутренней энергии при расширении и сжатии не могут быть полностью скомпенсированы притоком энергии от нагревателя и отдачей энергии охладителю. Таким образом, процессы в тепловых машинах не могут быть строго изотермическими. Кроме того, в реальных тепловых двигателях процессы в циклах не являются равновесными, а следовательно, циклы – обратимыми. Эти выводы представлены в физике тепловых явлений в виде трех теорем Карно: 1) КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, не зависит от выбора рабочего вещества и конструктивных деталей осуществления цикла и определяется только температурами нагревателя и охладителя; 2) КПД необратимой машины, работающей по циклу Карно всегда меньше КПД обратимой машины, работающей по тому же циклу; 3) КПД обратимого цикла Карно больше любого другого обратимого цикла, в котором максимальная и минимальная температуры равны соответственно температурам нагревателя и охладителя в цикле Карно, ηС > η.

Выполнение работы

1. Заготовить табл. 2–4 для записи результатов измерений.

ab

bc

cd

da

2.Произвести отсчёты начальных и конечных параметров газа для каждого из термодинамических процессов заданного цикла по шкалам диаграммы. Недостающий параметр найти из уравнения состояния

pV = νRT.

Результаты занести в табл. 2.

3.Построить рабочий цикл в координатах p–V, p–T, V–T в соответствии с численными значениями параметров газа, указанных на исходной диаграмме для данного цикла.

4.На одной из диаграмм показать стрелками процессы, в которых теплота подводится (см. рис. 1) (стрелка направлена внутрь цикла), и процессы, в которых теплота отводится (стрелка направлена наружу).

5.Рассчитать работу А сил давления газа, изменение внутренней энергии U и количество теплоты Q для каждого из процессов (с учётом знака). Результаты занести в табл. 3.

6.Вычислить работу цикла как алгебраическую сумму работ газа в каждом из процессов:

Ацикла = Аab + Аbc + Аcd + Аda.

7. Вычислить количество подведённой теплоты в ходе всего цикла Qподв как сумму количеств теплоты в тех процессах, где теплота подводится.

8. Рассчитать КПД теплового двигателя, работающего по заданному циклу:

Aцикла .

Qподв

9. Вычислить алгебраическую сумму изменений внутренней энергии в ходе цикла ΔUцикла и проверить равенство Ацикла = Qцикла .

[2, § 9.1–9.5, § 11.1–11.2, § 11.4–11.5]; [3, § 1.5, § 2.11, § 3.2];

[4, § II.2.1–II.2.4, § II.4.1–II.4.3]; [5, § 4.4–4.8].

Коэффициент динамической вязкости. Из формулы (1) можно выяснить физический смысл коэффициента динамической вязкости .

Коэффициент динамической вязкости численно равен силе внутреннего трения, действующей на единичную площадь соприкасающихся слоев при градиенте скорости этих слоев, равном единице.

Размерность коэффициента динамической вязкости в системе

СИ:

На практике широко используется понятие кинематической вязкости = / , где – плотность жидкости (или газа). Единица измерения кинематической вязкости в СИ [ ] = м2/с.

При повышении температуры вязкость жидкостей, в отличие от газов, существенно уменьшается. Приборы, служащие для измерения вязкости, называются вискозиметрами.

Методика выполнения эксперимента и описание установки

Вывод рабочей формулы для определения коэффициента динамической вязкости. Динамическая вязкость определяется по результатам измерений скорости равномерного движения шарика в маловязкой жидкости.