Первый закон термодинамики. Тепловые двигатели и КПД тепловых двигателей презентация

Содержание

Слайд 2

Из механики известно, что в замкнутой системе механическая энергия сохраняется. Сумма

Из механики известно, что в замкнутой системе механическая энергия сохраняется. Сумма кинетической и
кинетической и потенциальной энергии постоянна.

Проделаем опыт: Резким ударом по рукоятке воздушного огнива сожмем воздух в цилиндре. После прекращения действия внешней силы, сжатый воздух расширится и выбросит поршень из цилиндра.
Этот опыт показывает, что возможны превращения различных видов энергии: сначала механическая энергия превращается во внутреннюю энергию сжатого газа, затем внутренняя энергия газа превращается в механическую энергию поступательного движения поршня.

Слайд 3

Анализ результатов опытов и наблюдений природных явлений, выполненных к середине XIX

Анализ результатов опытов и наблюдений природных явлений, выполненных к середине XIX века, привел
века, привел немецкого ученого Р.Майера, английского ученого Д-Джоуля и немецкого ученого Г.Гельмгольца к выводу о существовании закона сохранения энергии: При любых взаимодействиях тел энергия не исчезает бесследно и не возникает из ничего. Энергия только передается от одного тела к другому или превращается из одной формы в другую.

Слайд 4

Способы изменения внутренней энергии

Способы изменения внутренней энергии

Слайд 5

Изменение Δ U внутренней энергии системы при переходе ее из одного

Изменение Δ U внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в
состояния в другое равно сумме работы A внешних сил и количества теплоты Q, переданного системе

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

ΔU = Q + A

Слайд 6

Q = ΔU + A’

ВТОРАЯ ЗАПИСЬ
ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ

Количество теплоты, полученное системой, идет на

Q = ΔU + A’ ВТОРАЯ ЗАПИСЬ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ Количество теплоты, полученное
изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Слайд 7


Виды изопроцессов

Изопроцессы

Изобарный

Изохорный

Изотермический

Адиабатный

Виды изопроцессов Изопроцессы Изобарный Изохорный Изотермический Адиабатный

Слайд 8

– процесс, при котором температура не изменяется
∆Т = 0

– процесс, при котором температура не изменяется ∆Т = 0 ∆U = 1,5νR∆T
∆U = 1,5νR∆T ∆U = 0
Q = A
Если газ получает теплоту, то он совершает положительную работу и расширяется, если газ отдает теплоту, то его объем уменьшается

ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

Слайд 9

p

V

V1

V2

p1

p2

Q>0

T1=T2

Изотермическое расширение

V ↑ ⇒ p ↓

T1=T2 ⇒ ΔT=0

V10

ΔU

p V V1 V2 p1 p2 Q>0 T1=T2 Изотермическое расширение V ↑ ⇒
= 0
A′>0
A<0

Q = A′

1

2

T = const
m= const

Слайд 10

p

V

V2

V1

p2

p1

Q<0

T1=T2

Изотермическое сжатие

V ↓ ⇒ p ↑

T1=T2 ⇒ ΔT=0

V2

p V V2 V1 p2 p1 Q T1=T2 Изотермическое сжатие V ↓ ⇒
ΔV<0

ΔU = 0
A′<0
A>0

Q =-A′

2

1

T = const
m= const

Слайд 11

– процесс, проходящий при постоянном давлении (обычно при атмосферном)
p

– процесс, проходящий при постоянном давлении (обычно при атмосферном) p = const ∆T≠
= const ∆T≠ 0 ∆V≠ 0
Q = ∆U + A
Переданное газу количество теплоты идет на изменение температуры и объема газа

ИЗОБАРНЫЙ ПРОЦЕСС

Слайд 12

p

V

V1

V2

p1=p2

Q>0

T2›T1

T ↑ ⇒ V ↑

T2>T1 ⇒ ΔT>0

V2>V1 ⇒ ΔV>0

ΔU>0 A′>0

p V V1 V2 p1=p2 Q>0 T2›T1 T ↑ ⇒ V ↑ T2>T1
A<0

Q = ΔU +A′

1

2

p=const
m=const

Изобарное нагревание (расширение)

Слайд 13

p

V

V1

V2

p1=p2

Q‹0

T2‹T1

T ↓ ⇒ V ↓

T2‹T1 ⇒ ΔT‹0

V2‹V1 ⇒ ΔV‹0

ΔU‹0 A′‹0

p V V1 V2 p1=p2 Q‹0 T2‹T1 T ↓ ⇒ V ↓ T2‹T1
A›0

Q = -ΔU-A′

1

2

p=const
m=const

Изобарное охлаждение (сжатие)

Слайд 14

ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС

– процесс при котором объём не изменяется
(например, закрытый

ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС – процесс при котором объём не изменяется (например, закрытый сосуд с
сосуд с газом))
∆V = 0 A = p∆V А = 0
∆U = Q
Если газ получает теплоту, то его внутренняя энергия увеличивается и температура повышается. Если газ отдает теплоту, то наоборот.

Слайд 15

Изохорное нагревание

p

V

V1= V2

Q>0

T2>T1

T↑ ⇒ p↑

T2>T1 ⇒ ΔT>0

V2=V1 ⇒ ΔV=0

ΔU>0 A′=0
A=0

Q

Изохорное нагревание p V V1= V2 Q>0 T2>T1 T↑ ⇒ p↑ T2>T1 ⇒
= ΔU

1

V=const
m=const

2

p1

p2

Слайд 16

Изохорное охлаждение

p

V

V1= V2

Q‹0

T2‹T1

T↓ ⇒ p ↓

T2‹T1 ⇒ ΔT‹0

V2=V1 ⇒ ΔV=0

ΔU‹0

Изохорное охлаждение p V V1= V2 Q‹0 T2‹T1 T↓ ⇒ p ↓ T2‹T1
A′=0
A=0

Q = -ΔU

1

V=const
m=const

2

p1

p2

Слайд 17

АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС

– это модель термодинамического процесса, происходящего в системе без

АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС – это модель термодинамического процесса, происходящего в системе без теплообмена с
теплообмена с окружающей средой
Q = 0 ∆U = – A
Примеры: а) накачивание камеры
б) двигатель Дизеля
г) охлаждение атмосферного воздуха

Слайд 18

p

V

V1

T2

T2

V2>V1 ⇒ ΔV>0

ΔU<0
A<0 A'>0

A'= - ∆U

1

2

p1

p2

T ↓

Адиабатное

p V V1 T2 T2 V2>V1 ⇒ ΔV>0 ΔU A 0 A'= -
расширение (охлаждение)

V ↑⇒

p ↑

V1

V2

Q=0
m=const

Слайд 19

p

V

V2

T2›T1

T2›T1 ⇒ ΔT›0

V2‹V1 ⇒ ΔV‹0

ΔU›0
A›0 A'‹0

A = ∆U

2

1

p2

p1

T ↑

Адиабатное

p V V2 T2›T1 T2›T1 ⇒ ΔT›0 V2‹V1 ⇒ ΔV‹0 ΔU›0 A›0 A'‹0
сжатие (нагревание)

V↓ ⇒

p ↑

V1

Q=0
m=const

Слайд 20

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели

Слайд 21

Основные вопросы:

Физические основы работы двигателей. КПД теплового двигателя.
КПД мышц (сообщение студентов).
Физические

Основные вопросы: Физические основы работы двигателей. КПД теплового двигателя. КПД мышц (сообщение студентов).
основы тепловой регуляции организма (сообщение студентов).
Тепловые двигатели и охрана природы.

Слайд 22

Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в

Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.
механическую энергию.

Слайд 23

Классификация тепловых двигателей:

Классификация тепловых двигателей:

Слайд 24

Механическая работа в двигателе совершается при расширении рабочего вещества, перемещающего поршень

Механическая работа в двигателе совершается при расширении рабочего вещества, перемещающего поршень в цилиндре.
в цилиндре.

Слайд 25

Для цикличной, непрерывной работы двигателя необходимо возвращение поршня в первоначальное положение,

Для цикличной, непрерывной работы двигателя необходимо возвращение поршня в первоначальное положение, т.е. сжатие рабочего вещества.
т.е. сжатие рабочего вещества.

Слайд 26

Легко сжимаемым является вещество в газообразном состоянии, поэтому в качестве рабочего

Легко сжимаемым является вещество в газообразном состоянии, поэтому в качестве рабочего вещества в
вещества в тепловых двигателях используется газ или пар.

Слайд 27

Нагреватель

Холодильник

Рабочее тело

Q1

Q2

Aп

Сообщает энергию рабочему телу

Совершает работу

Поглощает часть энергии
от рабочего тела

Принципиальная

Нагреватель Холодильник Рабочее тело Q1 Q2 Aп Сообщает энергию рабочему телу Совершает работу
схема теплового двигателя

Слайд 28

Коэффициент полезного действия теплового двигателя (КПД) – это отношение работы, совершаемой

Коэффициент полезного действия теплового двигателя (КПД) – это отношение работы, совершаемой двигателем за
двигателем за цикл, к количеству теплоты, полученному от нагревателя

Слайд 29

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то КПД всегда

КПД всегда меньше единицы.
КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника, т.е. при
Тн - Тх = 0 двигатель не может работать.

Слайд 30

Максимальное значение КПД теплового двигателя.

Еще в 1824г. французский ученый С.Карно

Максимальное значение КПД теплового двигателя. Еще в 1824г. французский ученый С.Карно показал, что
показал, что в любой тепловой машине можно получить полезную работу лишь в том случае, если энергия путем теплообмена переходит от горячего тела к холодному; при этом лишь часть этой теплоты может пойти на совершение полезной работы.

Слайд 31

Цикл Карно

Сади Карно, выясняя, при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет

Цикл Карно Сади Карно, выясняя, при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь
иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов.
Выбор именно этих процессов обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счет внутренней энергии нагревателя, а при адиабатном процессе за счет внутренней энергии расширяющегося газа.
В этом цикле исключен контакт тел с разной температурой, а значит, исключена теплопередача без совершения работы.

Слайд 32

Цикл Карно - самый эффективный (из всех возможных) цикл, имеющий максимальный КПД.

Цикл Карно - самый эффективный (из всех возможных) цикл, имеющий максимальный КПД.

Слайд 35

Если абсолютная температура горячего тела равна Т1, а холодного - Т2,

Если абсолютная температура горячего тела равна Т1, а холодного - Т2, то максимальный
то максимальный КПД машины равен:
ηмакс = .
Любая реальная тепловая машина, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Слайд 36

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Слайд 37

Но не стоит забывать, что тепловые двигатели принося пользу человечеству, неблагоприятно

Но не стоит забывать, что тепловые двигатели принося пользу человечеству, неблагоприятно влияют на окружающую нас природу
влияют на окружающую нас природу

Слайд 38

40кг
ОКИСИ АЗОТА

200кг
УГЛЕВОДОРОДОВ

СВИНЕЦ и др.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

За год ОДИН
легковой автомобиль

4 тонны
КИСЛОРОДА

800кг
ОКИСИ

40кг ОКИСИ АЗОТА 200кг УГЛЕВОДОРОДОВ СВИНЕЦ и др. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ За год ОДИН
УГЛЕРОДА

Слайд 39

Воздействие тепловых двигателей на окружающую среду.

Отрицательное влияние тепловых машин на

Воздействие тепловых двигателей на окружающую среду. Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду
окружающую среду связано с действием различных факторов.
Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.

Слайд 40

Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа.
В-третьих, при

Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. В-третьих, при сжигании угля
сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу 2-3 тонны свинца.

Воздействие тепловых двигателей на окружающую среду.

Слайд 41

Выбросы вредных веществ в атмосферу – не единственная сторона воздействия тепловых

Выбросы вредных веществ в атмосферу – не единственная сторона воздействия тепловых двигателей на
двигателей на природу. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты.
Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на Земле.

Слайд 42

Методы борьбы с вредными воздействиями тепловых двигателей на окружающую среду

Один

Методы борьбы с вредными воздействиями тепловых двигателей на окружающую среду Один из способов
из способов уменьшения путей загрязнения окружающей среды связан с использованием в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца.
Перспективными являются разработки автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяются электродвигатели или двигатели, использующие в качестве топлива водород.
Другой способ заключается в увеличении КПД тепловых двигателей
Имя файла: Первый-закон-термодинамики.-Тепловые-двигатели-и-КПД-тепловых-двигателей.pptx
Количество просмотров: 124
Количество скачиваний: 0