Краткий конспект подготовки к ЗНО по физике №16 "КПД тепловой машины. Графики процессов в термодинамике"

Конспект 16. КПД тепловой машины. Графики процессов в термодинамике.

Необратимость тепловых процессов. Все процессы самопроизвольно протекают в одном определенном направлении. Они не обратимы. Тепло всегда переходит от горячего тела к холодному, а механическая энергия тел - во внутреннюю энергию. Направление процессов в природе указывается вторым законом термодинамики.
Пример. Нагретые тела постепенно остывают, передавая свою энергию более холодным телам; колебания маятника постепенно затухают; подкинутый мяч со временем остановится, падающее яблоко останется лежать под деревом и т.д. Процессы, обратные перечисленным, нелепы.
Замечание. Обратный процесс передачи тепла от холодного тела к горячему не противоречит ЗСЭ, но противоречит второму началу термодинамики.

3. Определение работы газа и других термодинамических величин

по графикам процессов в газах

При работе с графиками газовый процессов удобно выбирать координаты . Все правила будут рассмотрены на примере этих координат.
1) Работа газа A:
а) Для процесса работа равна площади фигуры под графиком, которая ограничена объемами газа:

Замечание. Знак работы зависит от того расширяется газ или сжимается (см. конспект 15).
Замечание. Расчеты площади необходимо проводить, подставляя величины в соответствующем масштабе на осях, т.е. указанные на графике значения давлений и объемов.
б) Для цикла работа равна площади внутри графика:

Замечание. Если направление цикла совпадает с ходом часовой стрелки, работа за цикл положительная; против хода часовой стрелки – отрицательная.
2) Изменение внутренней энергии ∆U рассчитывается по формулам через параметры :

или по другим (см. конспект № 15)
Пример. Для одноатомного газа по приведенному графику процесса 

3) Количество теплоты Q рассчитывается по первому закону термодинамики:

4. Тепловые машины

Определение. Тепловая машина – устройство для преобразования тепловой энергии в механическую работу (тепловой двигатель) или наоборот для передачи тепла от менее нагретого тела к более нагретому за счет выполнения работы (холодильная машина).
Примеры тепловых машин: двигатель внутреннего сгорания, паровой двигатель, холодильник и т.п.
Принципиальная схема тепловой машины:

Принцип действия тепловых машин – организация взаимодействия между основными элементами машины для выполнения работы: нагреватель отдает рабочему телу (газ) количество теплоты , выполняется работа , где  – количество теплоты отданное холодильнику.
КПД тепловой машины, Дж:


Замечание. Идеальная тепловая машина – эта такая тепловая машина, которая имеет максимально возможный КПД при данных температурах нагревателя  и холодильника .
Цикл Карно – цикл работы идеальной тепловой машины, состоит из двух изотермических процессов и двух адиабатных.

 – КПД идеальной тепловой машины, Дж