3. Закон сохранения энергии в тепловых процессах. Законы термодинамики.
Маятник Максвелла. Маятник Максвелла - экспериментальное подтверждение преобразования Маятника Максвелла.
Закон сохранения механической энергии. Полная механическая энергия тела (сумма кинетической и потенциальной) в замкнутой системе тел не меняется (сохраняется).
Еп + Ек = Е = const
Действие Закона сохранения энергии в двигателе внутреннего сгорания. Возможен процесс, когда внутренняя энергия тела будет переходить в механическую. Подобные процессы происходят в двигателе внутреннего сгорания.
Джеймс Джоуль и значение его открытий. Джеймс Пре́скотт Джо́уль (1818-1889) – английский физик, внесший значительный вклад в становление термодинамики. Обосновал на опытах закон сохранения энергии. Установил закон, определяющий тепловое действие электрического тока. Вычислил скорость движения молекул газа и установил ее зависимость от температуры.
Два способа изменения внутренней энергии тела. Способы изменения внутренней энергии тела: 1. Передача телу некоторого количества энергии путем теплообмена и 2. Выполнение над телом определенной работы.
Первый закон термодинамики. Система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии.
Понятие Вечного двигателя. Вечный двигатель – это устройство, способное выполнять работу без потребления какого-либо топлива.
Доказательство невозможности Вечного двигателя первым началом термодинамики. Отсутствие топлива эквивалентно отсутствию теплопередачи газу. Т.е. Q = 0.
Подставляя это значение в формулу первого закона термодинамики, получим: Aвн. = - ∆U
Т.е., энергия для выполнения работы берётся из запасов внутренней энергии тела, и поэтому невозможно постоянное выполнение такой работы – лишь до момента, когда иссякнет внутренняя энергия.
Второй закон термодинамики. Невозможно передать энергию (теплоту) от менее нагретой системы к более нагретой без одновременного изменения этих двух систем или окружающих тел.
Постулат Клаузиуса. Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему.
Постулат Томпсона (Кельвина). Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара.
Третье начало термодинамики. Приращение энтропии при абсолютном нуле температуры стремится к конечному пределу, не зависящему от того, в каком равновесном состоянии находится система.
Теорема Нернста. Это физический принцип, определяющий поведение энтропии при абсолютном нуле температуры.
4. Тепловые машины, их применение.
Научный предмет термодинамики. Непосредственным предметом интереса термодинамики, как научной дисциплины, являются тепловые двигатели и, соответственно, коэффициенты их полезного действия.
Определение теплового двигателя. Тепловой двигатель – это устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую работу.
Функциональная схема теплового двигателя. Все без исключения тепловые двигатели функционально делятся на три составляющие: Нагреватель; Рабочее тело; Холодильник.
Коэффициент полезного действия теплового двигателя. Основным показателем работы теплового двигателя является КПД – коэффициент полезного действия.
Определение КПД теплового двигателя. КПД теплового двигателя – это отношение полезной работы, выполненной рабочим телом, к количеству теплоты, переданной телу от нагревателя.
Вычисление КПД реального теплового двигателя. КПД вычисляется формулой:
.
По закону сохранения энергии: энергия, отошедшая от нагревателя, никуда не исчезает - часть её отводится в виде работы, остальная часть приходит на холодильник:
.
Получаем:
Формула Карно для вычисления КПД идеального теплового двигателя. КПД идеального двигателя (в котором нет потерь тепла и все тепло идет на выполнение работы) вычисляется по формуле Карно:
Т.о., КПД идеального двигателя зависит только от температур нагревателя и холодильника.
Демонстрации:
Взаимные переходы между агрегатными состояниями.
Кипение и парообразование.
Теплопроводность в природе.
Теплопроводность металлов.
Явление конвекции в газе (в воздухе).
Явление конвекции в жидкости.
Излучение.
Опыт Джеймса Джоуля о совершении газом работы в тепловых процессах.
Вечные двигатели.
Контрольные вопросы:.
Сформулируйте основные признаки агрегатного состояния физических тел.
Назовите отличительные признаки твердых тел, жидкостей и газов.
Сформулируйте агрегатные состояния физических тел с точки зрения атомно-молекулярных представлений.
Назовите молекулярные особенности твердых тел.
Назовите молекулярные особенности жидкостей.
Назовите молекулярные особенности газов.
Назовите взаимные переходы между агрегатными состояниями и сформулируйте суть этих переходов.
Определите температурные особенности взаимных переходов веществ из одного агрегатного состояния в другое.
Назовите промежуточные фазы взаимных переходов веществ из одного агрегатного состояния в другое.
Сформулируйте физические характеристики и дайте определения тепловым процессам и явлениям в природе.
Назовите три способа передачи теплоты.
Сформулируйте определение теплопроводности.
Определите, что в термодинамике означает коэффициент удельной теплопроводности.
Назовите физические свойства теплопроводности.
Сформулируйте определение конвекции.
Сформулируйте определение излучения.
Сформулируйте, что такое спектр излучений и его основные характеристики.
Сформулируйте закон сохранения энергии в тепловых процессах.
Определите значение законов термодинамики.
Сформулируйте закон сохранения механической энергии.
Объясните на практическом примере действие закона сохранения энергии в двигателе внутреннего сгорания.
В чем значение открытий Джеймса Джоуля?
Назовите два способа изменения внутренней энергии тела.
Сформулируйте первый закон термодинамики.
Назовите физические характеристики «Вечного двигателя».
Приведите доказательство невозможности Вечного двигателя, основываясь на первом законе термодинамики.
Сформулируйте второй закон термодинамики.
Назовите физические смыслы постулатов Клаузиуса и Томпсона (Кельвина).
Сформулируйте третий закон (третье начало) термодинамики.
Охарактеризуйте теорему Нернста с точки зрения ее значения для теоретической физики.
Приведите примеры использования человеком тепловых машин.
Сформулируйте понятие тепловой машины (теплового двигателя).
Назовите научный предмет термодинамики.
Дайте определение теплового двигателя.
Объясните функциональные особенности теплового двигателя.
Объясните, что такое коэффициент полезного действия теплового двигателя.
Определите КПД теплового двигателя на практическом примере.
Сформулируйте, для чего нужна формула Карно?
Литература:
1. Ахмедова Т.И., Мосягина О.В. Естествознание: Учебное пособие / Т.И. Ахмедова, О.В. Мосягина. – М.: РАП, 2012. – С. 137-158.