Самоподготовка по Физика
за кандидат-студенти и матура
Профилирана подготовка – Модул 4, Тема 6: Топлинни машини. Цикъл и теорема на Карно
Преговор от общообразователна подготовка (ООП)
Съдържание на темата:
- Топлинни машини
- Цикъл на Карно
Вижте подточките
- Машина на Карно
- Теорема на Карно
Вижте подточките
Тестови задачи от изпити:
Теория
I. Топлинни машини:
- Предварителни бележки – Досега споменахме, че и малко количество газ притежава значително количество вътрешна енергия, която може да се превръща в топлина и системата да извършва работа. За техниката представлява интерес не единично преобразуване на топлината в механична работа, а процесите на предаване на количество топлина и превръщането му в работа периодично да се повтарят. За това е необходимо тялото, извършващо работа, след получаване на топлина от източника да се върне в изходно състояние, за да може отново да започне същия процес. С други думи работното тяло трябва да извършва кръгов (цикличен) процес, т.е. топлинната машина да работи циклично.
- Топлинна машина (топлинен двигател, двигател с вътрешно горене и др.) – Периодично действащо устройство, което преобразува получената от околната среда топлина в работа.
- Топлинна машина и I принцип на термодинамиката – От определението за цикличен процес (процес, който връща системата в първоначалното ѝ състояние, без да изменя околната среда) следва, че ΔU = 0, защото началното и крайното положение на системата съвпадат. Тогава I принцип на термодинамиката (формула 9) за топлините машини е:
Q + AВЪН = 0 (1): Q = – AВЪН Q = AГАЗ,
т.е. топлинната машина извършва работа AГАЗ, ако получава топлина от околната среда. Така стигаме до извода, че НЕ може да се създаде циклично движеща се машина, която да работи без да черпи топлина от околната среда, както представената на Фиг. 1 – а).
- Топлинна машина и II принцип на термодинамиката – Ако в циклично движещата се машина има само нагревател и работно вещество (Фиг. 1 – б), то това ще противоречи на II принцип на термодинамиката, защото ще превърнем в механична работа вътрешната енергия на цялата Вселена.
- Схема на топлинна машина (Фиг. 1 – в) – От казаното следва, че в циклично движещата се топлинна машина трябва да има най-малко три елемента: Нагревател с висока температура T1, работно вещество, работещо по кръгов процес, и охладител с по-ниска температура T2.
- Коефициент на полезно действие – За един цикъл работното вещество получава количество топлина Q1 от нагревателя (който има температура T1), извършва полезна работа AДВ и отдава количество топлина Q2 на охладителя (който има температура T2). За улеснение ще смятаме, че количеството топлина винаги има положителна стойност, а в енергетичния баланс влиза със знак плюс или минус в зависимост от това дали работното вещество приема или отдава топлина. За един цикъл работното вещество се връща в началното си състояние, т.е. промяната на вътрешната му енергия е нула (ΔU = 0). Тогава съгласно I принцип на термодинамиката (формула 9) работата AДВ извършена от двигателя е:
(2): AДВ = Q = Q1 – Q2.
Бележка:Количеството топлина Q2, обменено с охладителя е със знак минус, защото работното вещество отдава топлина на охладителя. От формула (2) се вижда, че AДВ < Q1, т.е. извършената от двигателя работа е по-малка от полученото количество топлина.Ефикасността на работата на топлината машина се определя от отношението на работата AДВ извършена от двигателя към полученото количество топлина Q1 и се нарича коефициент на полезно действие η:
(3):
II. Цикъл на Карно:
- Определение – Цикълът на Карно се състои от четири равновесни (обратими) процеса: два изотермни и два адиабатни, а работното вещество е идеален газ (Фиг. 2).
- Изотермно разширение (участъкът АВ) – Работното вещество е в топлинен контакт с нагревател с температура T1 = const, разширява се изотермно и извършва работа за сметка на полученото количество топлина Q1.
- Адиабатно разширение (участъкът ВС) – Работното вещество се охлажда до температурата T2 на охладителя, като газът НЕ обменя топлина с околната среда.
- Изотермно свиване (участъкът СD) – Работното вещество е в топлинен контакт с охладителя и му отдава количество топлина Q2.
- Адиабатно свиване (участъкът DA) – Работното вещество се нагрява до температурата T1 на нагревателя (без да обменя топлина с околната среда). Цикълът се затваря и се повтаря отново.
III. Машина на Карно:
- Понятие за машина на Карно – Топлинен двигател (топлинна машина), който работи по цикъла на Карно, се нарича машина на Карно (идеална топлинна машина).
Бележка:На практика е трудно са да се създаде топлинен двигател, работещ по цикъла на Карно, защото:
- Нагревателят и охладителят трябва да са тела с голям топлинен капацитет (постоянно се обменя топлина с тях) и съответно голяма маса, така че температурата им да не се променя поради топлообмена с работното вещество в двигателя.
- Изотермните процеси трябва да бъдат много бавни, така температурата на работното вещество да остане постоянна и равна на температурата на нагревателя (охладителя).
- КПД (Коефициент на Полезно Действие) на машината на Карно – Може да се докаже, че КПД на машината на Карно се намира по формулата:
(4):
IV. Теорема на Карно:
- Първа теорема на Карно – КПД на топлинна машина η, работеща по цикъла на Карно, НЕ зависи от вида на работното вещество, а само от температурата T1 на нагревателя и температурата T2 на охладителя, и се намира по формула (4).
- Втора теорема на Карно – КПД на даден топлинен двигател η НЕ може да бъде по-висок от КПД на двигателя на Карно, работещ при същата минимална температура T2 и максимална температура T1 на работното вещество:
(5):
Бележка:
Цикълът на Карно е идеализиран – никоя реална топлинна машина НЕ работи по този цикъл. Той се използва, за да се определи горната граница на коефициента на полезно действие на топлинните машини.
Върни се нагоре Начало Предходен Следващ
Вижте още
Самоподготовка
Предстоят ви изпити или матура по Математика или Физика, но не сте убедени, че сами ще се справите. Учебен център „СОЛЕМА“ ви предоставя следните програми и тестове към тях:
МАТЕМАТИКА
ФИЗИКА
Тестове от изпити по МАТЕМАТИКА
Опитайте да решите тестовите от изпитите по Математика. Ако не можете, разгледайте упътванията.
Последната ви възможност е да разгледате примерните решения.
Всички задачи са с кратки упътвания и пълни решения.
Всички тестове
Тестове от последната година:
Тестове от изпити по ФИЗИКА
Решили сме тестовете по Физика давани в Софийски университет и на Матура през последните няколко години.
Всички тестове
Тестове от последната година:
Реклама
Реклама