Первый закон термодинамики. Тепловые двигатели и КПД тепловых двигателей презентация

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

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

Способы изменения внутренней энергии

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

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

Виды изопроцессов
Изопроцессы
Изобарный
Изохорный
Изотермический
Адиабатный

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

p
V
V1
V2
p1
p2
Q>0
T1=T2
Изотермическое расширение
V ↑ ⇒ p ↓
T1=T2 ⇒ ΔT=0
V1
0
ΔU = 0
A′>0
A<0
Q = A′
1
2
T = const
m= const

p
V
V2
V1
p2
p1
Q<0
T1=T2
Изотермическое сжатие
V ↓ ⇒ p ↑
T1=T2 ⇒ ΔT=0
V2 ΔV<0
ΔU = 0
A′<0
A>0
Q =-A′
2
1
T = const
m= const

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

p
V
V1
V2
p1=p2
Q>0
T2›T1
T ↑ ⇒ V ↑
T2>T1 ⇒ ΔT>0
V2>V1 ⇒ ΔV>0
ΔU>0 A′>0 A<0
Q = ΔU +A′
1
2
p=const
m=const
Изобарное нагревание (расширение)

p
V
V1
V2
p1=p2
Q‹0
T2‹T1
T ↓ ⇒ V ↓
T2‹T1 ⇒ ΔT‹0
V2‹V1 ⇒ ΔV‹0
ΔU‹0 A′‹0 A›0
Q = -ΔU-A′
1
2
p=const
m=const
Изобарное охлаждение (сжатие)

ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС
– процесс при котором объём не изменяется
(например, закрытый 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.

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 = ΔU
1
V=const
m=const
2
p1
p2

Изохорное охлаждение
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 = -ΔU
1
V=const
m=const
2
p1
p2

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

p
V
V1
T2
T2
V2>V1 ⇒ ΔV>0
ΔU<0
A<0 A'>0
A'= - ∆U
1
2
p1
p2
T ↓
Адиабатное расширение (охлаждение)
V ↑⇒
p ↑
V1
V2
Q=0
m=const

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 сжатие (нагревание)
V↓ ⇒
p ↑
V1
Q=0
m=const

Тепловые двигатели

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

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

Классификация тепловых двигателей:

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

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

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

Нагреватель
Холодильник
Рабочее тело
Q1
Q2
Aп
Сообщает энергию рабочему телу
Совершает работу
Поглощает часть энергии
от рабочего тела
Принципиальная схема теплового двигателя

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

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то
КПД всегда меньше единицы.
КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника, т.е. при
Тн - Тх = 0 двигатель не может работать.

Максимальное значение КПД теплового двигателя.
Еще в 1824г. французский ученый С.Карно 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.

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

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

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

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

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

40кг
ОКИСИ АЗОТА
200кг
УГЛЕВОДОРОДОВ
СВИНЕЦ и др.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ
За год ОДИН
легковой автомобиль
4 тонны
КИСЛОРОДА
800кг
ОКИСИ УГЛЕРОДА

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

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

Выбросы вредных веществ в атмосферу – не единственная сторона воздействия тепловых 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.

Методы борьбы с вредными воздействиями тепловых двигателей на окружающую среду
Один 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