Вопрос 7. Круговые процессы (циклы)

Круговым процессом или циклом называется такой процесс, при котором система, пройдя ряд состояний, возвращается в исходное состояние. Если процесс осуществляется по часовой стрелке, он называется прямым, против часовой стрелки – обратным. Т.к. внутренняя энергия является функцией состояния, то в круговом процессе

система может получать или отдавать теплоту, совершать работу, но внутренняя энергия системы при этом остается постоянной.

Устройство, в котором затрачивается теплота, а получается работа, называется тепловой машиной. Все тепловые машины работают по прямому циклу, состоящему из различных процессов. Устройство, работающее по обратному циклу, называется холодильной машиной. В холодильной машине затрачивается работа, а в результате от холодного тела отнимается теплота, т.е. происходит дополнительное охлаждение этого тела.

Рассмотрим цикл Карно для идеальной тепловой машины. Предполагается, что рабочее тело – идеальный газ, трение отсутствует. Этот цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, реально не осуществим, но он сыграл огромную роль в развитии термодинамики и теплотехники и позволил проанализировать коэффициент полезного действия (КПД) тепловых машин.

1-2 изотермическое расширение			сообщаемое тепло идет на работу газа
2-3 адиабатическое расширение			газ совершает работу за счет внутренней энергии
3-4 изотермическое сжатие			внешние силы сжимают газ, передавая теплоту окружающей среде
4-1 адиабатическое сжатие			над газом совершается работа, его внутренняя энергия увеличивается
( - из уравнений адиабат)		полная работа за цикл; на графике полная А равна площади, охватываемой кривой 1-2-3-4-1

Таким образом, за цикл газу было сообщено Q₁ теплоты, холодильнику передано Q₂ теплоты и получена работа А.

	работа, полученная за один цикл
Т1 – температура нагревателя Т2 – температура холодильника	КПД цикла Карно – это максимально возможный КПД тепловых машин.

Из полученного выражения следует, что: 1) КПД всегда меньше единицы,

2)КПД не зависит от рода рабочего тела, а только от температуры нагревателя и холодильника, 3)чтобы повысить КПД нужно увеличить температуру нагревателя и уменьшить температуру холодильника. В современных двигателях в качестве нагревателя используются горючие смеси  бензин, керосин, дизельное топливо и др., имеющие определенные температуры горения. Холодильником служит чаще всего окружающая среда. Следовательно, реально увеличить КПД можно только за счет уменьшения трения в различных узлах двигателя и машины.

Тема 18.Вопрос 1.Агрегатные состояния вещества

Молекулы представляют собой сложные системы электрически заряженных частиц. Основная масса молекулы и весь ее положительный заряд сосредоточены в ядрах, их размеры порядка 10^15  10^14 м, а размер самой молекулы, включая электронную оболочку, примерно 10^10 м. В целом молекула электрически нейтральна. Электрическое поле ее зарядов в основном сосредоточено внутри молекулы и за ее пределами резко убывает. При взаимодействии двух молекул одновременно проявляются и силы притяжения и силы отталкивания, они по-разному зависят от расстояния между молекулами (см рис.- пунктирные линии). Одновременное действие межмолекулярных сил дает зависимость силы F от расстояния r между молекулами, характерную и для двух молекул, и атомов, и ионов (сплошная кривая). На больших расстояния молекулы практически не взаимодействуют, на очень малых расстояния преобладают силы отталкивания. На расстояниях, равных нескольким диаметрам молекул действуют силы притяжения. Расстояние r_o между центрами двух молекул, на котором F=0,  это положение равновесия. Так как сила связана с потенциальной энергией F=dE_пот /dr, то интегрирование даст зависимость потенциальной энергии от r (потенциальная кривая). Равновесное положение соответствует минимуму потенциальной энергии U_min . Для различных молекул вид потенциальной кривой аналогичен, но числовые значения r_o и U_min различны и определяются природой данных молекул.

Кроме потенциальной, молекула обладает еще и кинетической энергией. Минимальная потенциальная энергия у каждого сорта молекул своя, а кинетическая энергия зависит от температуры вещества (Е_кин  кТ). В зависимости от соотношения между этими энергиями данное вещество может находиться в том или ином агрегатном состоянии. Например, вода может быть в твердом состоянии (лед), в жидком и в виде пара.

кТ  Umin	твердое состояние	молекулы образуют кристалл и колеблются около положений равновесия
кТ  Umin	газообразное состояние	тепловое движение препятствует соединению молекул
кТ  Umin	жидкое состояние	молекулы непрерывно обмениваются местами, но расстояние между ними остается примерно одинаковым

У инертных газов U_min невелики, поэтому они переходят в жидкое состояние при очень низких температурах. У металлов большие величины U_min поэтому они находятся в твердом состоянии вплоть до температуры плавления – это могут быть сотни и тысячи градусов.