Урок 8. Законы термодинамики и КПД тепловых двигателей
Предмет: Естествознание, 11 класс

Конспект урока

Естествознание, 11 класс

Урок 8. Законы термодинамики и КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Чем ограничен КПД теплового двигателя.
Что такое идеальный тепловой двигатель.
Как вычислить КПД идеальной тепловой машины.

Аддитивность энтропии – энтропия системы равна сумме энтропий её частей.

Адиабата (адиабатный процесс) – это процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой

КПД теплового двигателя – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Вечный двигатель второго рода – это воображаемое неограниченно долго действующее устройство, позволяющее получать большее количество полезной работы, чем количество сообщённой ему извне энергии.

Идеальный тепловой двигатель – это такой двигатель, в котором все процессы могут быть проведены обратимым образом и так, что в каждый момент его состояние являлось бы равновесным.

Изотерма (изотермический процесс) – это процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянной температуре.

Тепловой двигатель – это тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры.

Энтропия – приведённое количество тепла, отнесённое к абсолютной температуре.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1.Естествознание. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., – М.: Просвещение, 2017.: с 53 -58.

2. Элементарный учебник физики под редакцией академика Г.С. Ландсберга. Том 2. Электричество и магнетизм.–12-е изд. – М.:ФИЗМАТЛИТ, 2001. – 480 с.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Человек в своей повседневной жизни очень часто встречается с физическими явлениями и законами. Неограниченными являются запасы внутренней энергии, которая находится в океанах и земной коре. Человек должен уметь использовать данную энергию, а именно за счёт энергии приводить в действия такие устройства, которые способны совершать работу.

Такие устройства принято называть тепловыми двигателями, которые способны превращать энергию в механическую энергию.

Ещё в III веке до нашей эры, Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара.

Общие черты тепловых двигателей:

1) энергия топлива → механическая энергия.

Происходит превращение во внутреннюю энергию газа или пара, котрые нагреты до высокой температуры.

2) Необходимо наличие двух тел, которые обладают разными температурами (нагреватель и холодильник), а также рабочее тело (пар или газ).

При работе теплового двигателя рабочее тело забирает у нагревателя теплоту Q1 и превращает часть её в механическую энергию А, а ту часть теплоты, которая не перешла в энергию Q2 передает холодильнику. По закону сохранения и превращения энергии A=Q1-Q2

Необходимые условия для работы теплового двигателя:

Нагреватель;

Рабочее тело,

Холодильник.

Виды тепловых двигателей

Основной характеристикой тепловых двигателей является КПД, которое подчиняется первому и второму закону термодинамики (передача тепла происходит от более нагретого тела к менее нагретому).

Коэффициентом полезного действия – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя. КПД выражают в процентах:

Qн – теплота, полученная от нагревателя, Дж

Qх - теплота, отданная холодильнику, Дж

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то Т<l.

КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При Т1- Т2 = О двигатель не может работать.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т1 и холодильником с температурой Т2.

Второй закон термодинамики - невозможно передать тепло от более холодного тела к более горячему так, чтобы в окружающей тела системе ничего не изменилось Данный закон запрещает существование вечного двигателя второго рода.

Рассмотрим схему работы теплового двигателя, предположив, что изображённая система замкнута.

Вычислим изменение энтропии всей системы за один цикл пользуясь свойствами энтропии:

- аддитивность энтропии

- энтропия является постоянной функцией

Получим уравнение суммарного изменения энтропии всей системы:

Третий закон термодинамики - невозможен процесс, в результате которого тело могло бы быть охлаждено до температуры абсолютного нуля.

В 19 веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади рассмотрел гипотетический тепловой двигатель, соответствующий которому цикл, состоит из двух адиабат и двух изотерм. Впоследствии этот цикл был назван циклом Карно. Особенностью цикла Карно является то, что в отличие от других термодинамических циклов он может быть проведен обратимым образом. Это свойство обеспечивает максимальное значение КПД цикла Карно по отношению к другим циклам, работающим с тем же нагревателем и холодильником. Соответствующий тепловой двигатель был назван «идеальным тепловым двигателем». КПД такой идеальной машины может быть выражен следующим образом:

Тн – термодинамическая температура нагревателя, К

Тх - термодинамическая температура холодильника, К.

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Тн, и холодильником с температурой Тх, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Идеальный тепловой двигатель – это такой двигатель, в котором все процессы могут быть проведены обратимым образом и так, что в каждый момент его состояние являлось бы равновесным.

Современный мир не может обойтись без тепловых двигателей, так как благодаря им человечество имеет:

дешёвую электроэнергию;

двигатели для скоростного транспорта;

используются на тепловых электростанциях, приводят в движение роторы генераторов электрического тока;

установлены на всех АЭС для получения пара высокой температуры;

основные виды современного транспорта (на автомобильном- поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном- двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на ж/д- тепловозы с дизельными установками; в авиации- поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели).

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Непрерывное развитие энергетики, развитие транспорта, возрастание потребления угля, нефти, газа в промышленности и на бытовые нужды приводит к тому, что количество ежегодно сжигаемого в тепловых двигателях химического топлива возрастает, что и приводит к сложной проблеме – охрана природы от вредного влияния продуктов сгорания.

При сжигании топлива происходит следующее:

используется кислород из атмосферы, а следовательно содержание кислорода в воздухе постоянно уменьшается.
выделение в атмосферу углекислого газа, что приводит к парниковому эффекту.
загрязнение атмосферы азотными и серными соединениями, которые оказывают вред флоре, фауне и здоровью человека.
проблема захоронения радиоактивных отходов атомных станций.

Для охраны окружающей среды необходимо обеспечить:

эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов;
использование качественного топлива и создания условий для полного его сгорания;
повышение КПД тепловых двигателей за счет уменьшения потерь на трение и полного сгорания топлива и др.

В настоящее время рассматривается использование водорода в качестве горючего, так как при сгорании водорода образуется вода, также проводятся исследования по созданию электромобилей, которые в скором времени будут способны заменить автомобили с бензиновым двигателем.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Тепловой двигатель за один цикл получает от нагревателя 100 кДж теплоты и отдает холодильнику 60 кДж. Чему равен КПД этого двигателя (%)?

а)60

б) 67

в) 40

г) 25

Ответ: B.

Задание 2. Расположите в хронологическом порядке появление тепловых двигателей:

Варианты ответов:

1. Дж. Уатт

2.Т. Севери

3. И. Ползунов

4. Д. Папен

Правильные варианты:

1.1698 год Т. Севери

2.1707 годД. Папен

3.1763 год И. Ползунов

4. 1774 год Дж. Уатт