ТЕРМОДИНАМИКА

1)Изохорный процесс (V=const). Диаграмма этого процесса (изохора) в координатах р, V изображается прямой, параллельной оси ординат (рис. 1), где процесс 1—2 есть изохорное нагревание, а 1—3 — изохорное охлаждение. При изохорном процессе газ не совершает работы над внешними телами, т. е.

bA=pdV=0

Из первого начала термодинамики (?Q=dU+?A) для изохорного процесса следует, что вся теплота, которая сообщается газу, идет на увеличение его внутренней энергии:

bQ=dU

т.к. CV=dUm/dt,

bQ=dU

Тогда для произвольной массы газа получим

bQ=dU=m/M CvdT

Изобарный процесс (p=const). Диаграмма этого процесса (изобара) в координатах р, V изображается прямой, которая параллельна оси V. При изобарном процессе работа газа при увеличения объема от V1 до V2 равна

bQ=dU=m/M CvdT

и равна площади заштрихованного прямоугольника (рис. 2). Если использовать уравнение Менделеева-Клапейрона для выбранных нами двух состояний, то

bQ=dU=m/M CvdT и pV2=m/M RT2

откуда V2-V1=m/M R/p(T2-T1)

Тогда выражение (2) для работы изобарного расширения примет вид

A=m/M R(T2-T1)

Из этого выражения вытекает физический смысл молярной газовой постоянной R: если T2 —T1 = 1К, то для 1 моль газа R=A, т. е. R численно равна работе изобарного расширения 1 моль идеального газа при нагревании его на 1 К.

В изобарном процессе при сообщении газу массой m количества теплоты

bQ=m/MCpdT

его внутренняя энергия возрастает на величину (т.к. CV=dUm/dt)

dU=m/MCvdT

При этом газ совершит работу, определяемую выражением (3).

Изотермический процесс (T=const). Изотермический процесс описывается законом Бойля—Мариотта: dU=m/M CvdT

Диаграмма этого процесса (изотерма) в координатах р, V представляет собой гиперболу, которая расположена на диаграмме тем выше, чем выше температура, при которой происходит процесс.

Исходя из формул для работы газа и уравнения Менделеева-Клайперона найдем работу изотермического расширения газа:

A=V2интегралV1 pdV =V2интегралV1 m/M RT dV/V=m/M RT ln V2/v1=m/M RT ln p1/p2

Так как при Т=const внутренняя энергия идеального газа не изменяется:

dU=m/M Cv dT=0

то из первого начала термодинамики (?Q=dU+?A) следует, что для изотермического процесса

bQ=bA

т. е. все количество теплоты, сообщаемое газу, расходуется на совершение им работы против внешних сил:

Q=A=m/M RT ln v2/v1=m/M RT ln P1/P2

Значит, для того чтобы при расширении газа температура не становилась меньше, к газу в течение изотермического процесса необходимо подводить количество теплоты, равное внешней работе расширения.

2)Внутренняя энергия тела.

Внутренняя энергия - величина, характеризующая термодинамическое состояние тела. Каждое тело состоит из частиц, которые постоянно движутся и взаимодействуют друг с другом. Внутренняя энергия тела является суммой кинетической энергии движения частиц вещества и потенциальной энергии их взаимодействия.

U=im/2M RT

Внутренняя энергия тела может изменяться при взаимодействии с окружающими телами.

Способы изменения внутренней энергии тела: теплообмен и совершение механической работы (над телом или самим телом).

Теплообмен - вид теплопередачи без совершения работы. При этом энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Виды теплообмена: теплопроводность, конвекция, излучение.

Теплопроводность - передача энергии от более нагретых тел к менее нагретым или от более нагретых частей тела к менее нагретым в результате теплового движения частиц.

Конвекция - перенос энергии потоками жидкости или газа.

Излучение -перенос энергии разного рода лучами (электромагнитными волнами).

Вну?тренняя эне?ргия тела (обозначается как E или U) — это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между ее значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход. дельтаU=bQ-bA

где

b Q — подведённая к телу теплота, измеренная в джоулях

b A [1] — работа, совершаемая телом против внешних сил, измеренная в джоулях

3)Теплово?й дви?гатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. (Возможно использование изменения не только объёма, но и формы рабочего тела, как это делается в твёрдотельных двигателях, где в качестве рабочего тела используется вещество в твёрдой фазе.) Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие топлива. Это возможно при нагревании рабочего тела (газа), который совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем и охладителем.

Ещё в давние времена люди старались использовать энергию топлива для превращения её в механическую. В XVII в. был изобретён тепловой двигатель, который в последующие годы был усовершенствован, но идея осталась той же. Во всех двигателях энергия топлива переходит сначала в энергию газа или пара, а газ (пар) расширяясь, совершает работу и охлаждается, а часть его внутренней энергии при этом превращается в механическую энергию.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

n=(QH)-(Qx)/(QH)=1-(Qx)/(QH)

Часть теплоты при передаче неизбежно теряется, поэтому КПД двигателя менее 1. Максимально возможным КПД обладает двигатель Карно. КПД двигателя Карно зависит только от абсолютных температур нагревателя( T_H ) и холодильника

nk=TH-Tx/TH=1-Tx/TH

Поршневой двигатель внешнего сгорания== == Поршневой двигатель внутреннего сгорания== == Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания== Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в базовом режиме. Таким образом колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия пара. Но тут есть два существенных отличия.

Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания== Примером такого устройства является тепловая электрическая станция. == Реактивные и ракетные двигатели== == Твердотельные тепловые двигатели(источник журнал “Техника молодёжи“)== == Здесь в качестве рабочего тела используется твёрдое тело. Здесь изменяется не объём рабочего тела, а его форма. Позволяет использовать рекордно малый перепад температур.

Цикл Карно? — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов.

Описание цикла Карно

Цикл Карно в координатах P и V

Цикл Карно в координатах T и S

Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой T_H, холодильника с температурой T_X и рабочего тела.

Цикл Карно состоит из четырёх стадий:

Изотермическое расширение (на рисунке — процесс A>Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру T_H, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты Q_H. При этом объём рабочего тела увеличивается.

Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке — процесс Б>В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.

Изотермическое сжатие (на рисунке — процесс В>Г). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру T_X, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты Q_X.

Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке — процесс Г>А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

При изотермических процессах температура остаётся постоянной, при адиабатических отсутствует теплообмен, а значит, сохраняется энтропия:

дельтаS=интеграл1относиться2 bQ/T=0 при bQ=0

Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T и S (температура и энтропия).

Как известно, экологическая обстановка на Земле и в нашей стране продолжает ухудшаться: озоновая дыра в Антарктике не уменьшается, а загрязненность Мирового океана и воздушной оболочки планеты повышается.

Известно, что более 60 млн. тонн вредных веществ выбрасывают в атмосферу ежегодно наши промышленные предприятия, около 37 млн. тонн таких веществ попадает в нее вместе с выхлопными газами автотранспорта, примерно 30 млрд. м3 воды, загрязненной промышленными и бытовыми отходами, стекает в реки, озера, моря. В более чем 100 городах, где проживает приблизительно 50 млн. человек, предельно допустимые концентрации вредных веществ, превышены в 10 (и больше!) раз. Автомобили на сегодняшний день в России - главная причина загрязнения воздуха в городах. Сейчас в мире их насчитывается более полумиллиарда. В России автомобиль имеет каждый десятый житель, а в больших городах - каждый пятый. Выбросы от автомобилей в городах особенно опасны тем, что загрязняют воздух в основном на уровне 60-90 см. от поверхности земли и, особенно на участках автотрасс, где стоят светофоры. Автомобили выбрасывают в атмосферу диоксид и оксид углерода, оксиды азота, формальдегид, бензол, бензопирен, сажу (всего около 300 различных токсичных веществ). При истирании автомобильных шин об асфальт атмосфера загрязняется резиновой пылью, вредной для здоровья человека. Автомобиль расходует огромное количество кислорода. За неделю в среднем легковой автомобиль выжигает столько кислорода, сколько его четыре пассажира расходуют на дыхание в течение года. С ростом числа автомобилей уменьшается площадь, занятая растительностью, которая дает кислород и очищает атмосферу от пыли и газа, все больше места занимают площадки для парковок, гаражи и автомобильные дороги. На свалках скапливаются изношенные шины, ржавые корпуса. Впрочем, старые кузова автомобилей можно увидеть и во дворах и на пустырях. Автомобили загрязняют почву. Одна тонна бензина, сгорая, выделяет 500-800 кг. вредных веществ. Если двигатель машины работает на бензине, с добавлением свинца, то они загрязняют почву этим тяжелым металлом вдоль дороги в полосе шириной 50-100 м, а если дорога идет вверх, и двигатель работает с нагрузкой, и загрязненная полоса имеет ширину до 400 м! Свинец, загрязняющий почву, накапливается растениями, которыми питаются животные. С молоком и мясом металл попадает в организм человека и может стать причиной тяжелых болезней. Волгоградская область относится к территории с невысокой плотностью дорожной сети (всего 72 км. на 100 км2), однако в расчете на одного жителя в год выбрасывается до 126 кг. вредных веществ в атмосферу.

Механическая волна