Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Молекулярная физика и тепловые явления (Для студентов-иностранцев). Учебное пособие
.pdf
Рис.4.9.Цикл Карно:
Q1– подводимое количество теплоты;
Q2– отводимое количество теплоты
101
Охлаждение газа (перед сжатием 3–4) происходит при
сж2
AAQ
==
12
.
TT
-
адиабатном расширении 2–3. Всё изменение внутренней энергии
ΔU23 при таком процессе (Q = 0) преобразуется в механическую
работу:
A23 = – ΔU23.
Температура газа в результате адиабатного расширения
2–3 понижается до температуры холодильника T2<T1.
В процессе 3–4 газ изотермически сжимается, передавая
холодильнику количество теплоты Q2:
34
.
Цикл завершается процессом адиабатного сжатия 4–1
(Q = 0), при котором газ нагревается до температуры T
1
Максимальный КПД тепловых машин, соответствующий
циклу Карно, можно определить по формуле
h
=
max
T
1
Для повышения КПД тепловой машины нужно понижать температуру холодильника и увеличивать температуру нагревателя.
Примеры решения задач
Задача № 1. В цилиндре тепловой машины находится
1 моль одноатомного газа. Определите КПД тепловой машины,
если изменение состояния газа в цилиндре осуществляется по
циклу, показанному на рисунке.
102
Решение:
11
A
QQ
(
)
(
)
1 00
Q Q Q mCT T mCT T pV
1
=D
21
Q UA
=D+
1 00
A pV
00
A pV
00
mC T T pV
AA BB
pV pV
TT
00 00
pV pV
TT
2
BA
TT
CC
pV
TT
00 00
2 22
pV pV
24
CBA
TTT
0
TT
=
B
T
C
T
0 0 00
mC T T pV
2
R
M
=×
000
p V RT
0,15
15 %.
h
»
QQ
-
12
h
==
;
= + = -+ -+ , так как
AB BC V B A V C B
AB
,
BC
,
2
= ,
= (площадь внутри
2
прямоугольника ABCD).
Тогда
pV
h
=
00
-+
( )
VCA
.
2
Из уравнения Менделеева – Клапейрона для состояний
А и В получим:
2
=.
AB
Отсюда:
=, или
AB
= .
Для состояний C и B аналогично получим:
pV
BB
Обозначив
= ;
BC
, подставим найденные выражения
A
= ;
TT
BC
==.
в выражение для КПД:
pV
h
Так как ν = 1 моль,
=
С
V
V
00
42
-+
( )
3
, то
= , поэтому
.
и
pV pV pV
h
= = =»
39
m T pV pV pV
22
00 00 00
R
322
××++
0 00 00 00
M
Задача № 2. На рисунке представлены диаграммы двух
циклов Карно: ABCD и ABC’D’. При работе по какому из этих
циклов тепловая машина обладает большим КПД?
13
2
pV
00
или 15%.
Ответ:
103
Решение:
12
ТТ
-
КПД идеальной тепловой машины определяется выражением
h
= .
Т
1
Температура Т1 нагревателя в двух циклах одинакова, так
как изотерма АВ у них общая. Температура холодильника Т2 при
работе по циклу ABC’D’ выше, чем при работе по циклу ABCD.
Это непосредственно видно и из сравнения площадей обоих циклов.
Контрольные вопросы и задания
1. Как долго будет происходить теплообмен при различной температуре тел, входящих в систему?
2. В чем заключается физический смысл второго начала термодинамики?
3. В чем состоят принцип Клаузиуса и принцип Томпсона (Кельвина)?
4. Какие процессы называются необратимыми?
5. Почему невозможно создать вечный двигатель второго рода?
6. Какое устройство называют тепловым двигателем?
7. Какова роль нагревателя, холодильника и рабочего тела в теп-
ловом двигателе?
8. Что называется коэффициентом полезного действия двигателя?
9. Чему равно максимальное значение коэффициента полезного
действия теплового двигателя?
104
Задачи для самостоятельного решения
1. В идеальной тепловой машине за счет каждого килоджоуля
энергии, получаемой от нагревателя, совершается работа
300 Дж. Определите КПД машины и температуру нагревателя,
если температура холодильника 280 К.
2. Двигатель работает по циклу Карно. Как изменится КПД теп-
лового двигателя, если при постоянной температуре холодильника 17 ºС температуру нагревателя повысить со 127 до
447 ºС?
3. Газ в количестве 1 моль совершает цикл, состоящий из двух
изохор и двух изобар. Наименьший объем газа 10 л, наибольший 20 л. Наименьшее давление 2,5 атм., наибольшее – 5 атм.
Нарисуйте график этого цикла и найдите работу за цикл.
4. Идеальная машина, работающая по обратному циклу Карно,
забирает теплоту от воды, имеющей начальную температуру
0 ºС, и передает его кипятильнику с водой, имеющему температуру 100 ºС. Сколько воды превращается в пар при образовании льда массой 1 кг?
5. В идеальной тепловой машине газ отдал холодильнику 55 %
количества теплоты, полученной от нагревателя. Определите
температуру холодильника, если температура нагревателя
равна 327 ºС.
6. В идеальной тепловой машине температура холодильника от-
личается в 1,5 раза от температуры нагревателя. Над рабочим
телом машины совершается один цикл. Чему равно отношение
модуля количества теплоты, отданного рабочим телом, к совершённой машиной работе?
7. Тепловая машина с максимально возможным КПД имеет в ка-
честве нагревателя резервуар с водой, а в качестве холодильника – сосуд со льдом при 0 °C. При совершении машиной работы 1 МДж растаяло 12,1 кг льда. Определите температуру
воды в резервуаре. Ответ дайте в кельвинах и округлите до
целых. (Удельная теплота плавления льда – 3,3 · 105 Дж/кг.)
105
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Гельфгат, И. М. Решение ключевых задач по физике для про-
фильной школы. 10 – 11 классы [Текст] / И. М. Гельфгат,
Л. Э. Генденштейн, Л. А. Кирик. – М.: ИЛЕКСА, 2016. – 288 с.
Иванов, А. Е. Механика. Молекулярная физика и термодинамика.
(Бакалавриат, Специалитет) [Текст] : учебник / А. Е. Иванов,
С. А. Иванов. – М.: КноРус, 2020. – 950 с.
Касьянов, В.А. Физика. 10 класс. Углубленный уровень [Текст] :
учебник для общеобразов. учреждений / В. А. Касьянов. – М.:
Дрофа, 2019. – 480 с.
Мякишев, Г. Я.Физика. Молекулярная физика. Термодинамика.
Углубленный уровень. 10 класс [Текст]: учебник / Г.Я. Мякишев,
А.З. Синяков. – М.:ДРОФА, корпорация "Российский учебник",
2019. – 352 с.
Никеров, В.А. Физика для вузов [Текст]: учебник / В. А. Никеров.
– M.: ИТК Дашков и К, 2018. – 550 с.
106
ОГЛАВЛЕНИЕ
ГЛАВА 1.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУ
РА ВЕЩЕСТВА… .
3
1.1.
Агрегатные состояния вещества
…………………...
3
1.2.
Основные положения молекулярно
-
кинетической
ГЛАВА
2.МОЛЕКУЛЯРНО
-
КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ
2.1.
Идеальный газ. Внутренняя энергия идеального
2.2.
Среднее значение квадрата скорости молекул
……
18
2.3.
Основное уравнение молекулярно
-
кинетической
2.4.
Температура. Энергия теплового движения
2.5.
Уравнение состояния идеального газа
…………….
33
2.6.
Газовые законы
……………………………………...
36
2.7.
Реальные газы
……………………………………….
49
ГЛАВА
3.ВЗАИМНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ТВЁРДЫХ ТЕЛ,
3.1.
Фазовый переход пар
—
жидкость
……………….....
54
3.2.
Испарение. Конденсация
…………………………...
57
3.3.
Давление насыщенного пара. Влажность воздуха
...
58
3.4.
Кипение жидкости
………………………………….
59
3.5.
Свойства поверхностного слоя жидкости
………...
63
3.6.
Кристаллизация и плавление твёрдых тел
………...
71
3.7.
Тепловое расширение жидкостей и твёрдых тел
…
74
ГЛАВА
4.ТЕРМОДИНАМИКА
……………………………….
79
4.1.Внутренняя энергия
многоатомного газа
…………
79
4.2.
Работа термодинамических систем для различных
4.3.
Первый закон термодинамики
……………………..
88
4.4.
Адиабатный процесс
………………………………..
94
4.5.
Второй закон термодинамики. Тепловые машины
..97БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ………………………….
10
6
теории……………………………………………….. 5
ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА……………………………… 15
одноатомного газа………………………………….. 15
теории газов. Закон Дальтона……………………... 19
молекул……………………………………………… 25
ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ…………………………... 54
процессов: изобарических, изохорических
и изотермических.. ......... .................. ................. ........ 83
107
Учебное издание
БУНИН Евгений Сергеевич
ЛОПУШАНСКИЙ Владимир Антонович
КРОХИНА Елена Валентиновна
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
И ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
(Для студентов-иностранцев)
Подписано в печать 07.02.2022. Формат 60х84 1/16.
Усл. печ. л. 6,3. Тираж 150 экз. Заказ . С-07.
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»
108
Отдел полиграфии ФГБОУ ВО «ВГУИТ»
(ФГБОУ ВО «ВГУИТ»)
Адрес университета и отдела полиграфии:
394036, Воронеж, пр. Революции, 19
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]