3. Сохранение энергии в тепловых процессах. Уравнение теплового баланса

Закон сохранения энергии сыграл решающую роль в развитии науки в различных направлениях.

Над развитием и применением закона сохранения и превращения энергии много работал У. Дж. М. Ранкин.

 

Уильям Джон Макуорн Ранкин (Ренкин)

 

Ранкин первым начал широко применять термин «энергия» и попытался дать этому понятию общее определение. Под энергией системы вслед за Ранкиным стали понимать её способность производить работу.

Ранкин писал:

Термин «энергия» предполагает любое состояние субстанции, которое заключается в способности производить работу; количество энергии измеряется количеством работы, которую она способна произвести.

Французский математик и физик Ж. Б. Фурье установил один из основных законов теплопроводности — односторонний переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому.

 

Жан Батист Жозеф Фурье

 

При переходе теплоты от более горячего тела к более холодному температуры тел постепенно (т.е. во времени!) выравниваются и становятся едиными для обоих тел — наступает состояние термодинамического равновесия.

Таким образом, первым важным открытием было открытие того факта, что все протекающие естественным образом (без участия внешних сил) тепловые процессы необратимы.

Второе, не менее важное открытие принадлежит С. Карно, который изучал проблему использования теплоты (тепловой энергии) через преобразование её в механическую энергию для производства рабо­ты в тепловых двигателях. Результаты своих исследований он изложил в сочинении «Размышления о движущей силе, огне и о машинах, способных развивать эту силу».

 

Николя Леонар Сади Карно

 

Карно установил, что тепловую энергию, которой обладает на­гретое тело, непосредственно невозможно превратить в механиче­скую энергию для производства работы. Это можно сделать, только если часть тепловой энергии тела с большей температурой передать другому телу с меньшей температурой и, следовательно, нагреть его до более высокой температуры.

 

Обрати внимание!

При теплообмене двух или нескольких тел абсолютное количество теплоты, которое отдано более нагретым телом (телами), равно количеству теплоты, которое получено менее нагретым телом (телами) (если нет потерь теплоты):

 

Qотд=Qполуч.

 

3. Закон сохранения энергии в тепловых процессах. Законы термодинамики.

Маятник Максвелла. Маятник Максвелла — экспериментальное подтверждение преобразования Маятника Максвелла.

Закон сохранения механической энергии. Полная механическая энергия тела (сумма кинетической и потенциальной) в замкнутой системе тел не меняется (сохраняется).

Еп + Ек = Е = const

Действие Закона сохранения энергии в двигателе внутреннего сгорания. Возможен процесс, когда внутренняя энергия тела будет переходить в механическую. Подобные процессы происходят в двигателе внутреннего сгорания.

Джеймс Джоуль и значение его открытий. Джеймс Пре́скотт Джо́уль (1818-1889) – английский физик, внесший значительный вклад в становление термодинамики. Обосновал на опытах закон сохранения энергии. Установил закон, определяющий тепловое действие электрического тока. Вычислил скорость движения молекул газа и установил ее зависимость от температуры.

Два способа изменения внутренней энергии тела. Способы изменения внутренней энергии тела: 1. Передача телу некоторого количества энергии путем теплообмена и 2. Выполнение над телом определенной работы.

Первый закон термодинамики. Система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии.

Понятие Вечного двигателя. Вечный двигатель – это устройство, способное выполнять работу без потребления какого-либо топлива.

Доказательство невозможности Вечного двигателя первым началом термодинамики. Отсутствие топлива эквивалентно отсутствию теплопередачи газу. Т.е. Q = 0.

Подставляя это значение в формулу первого закона термодинамики, получим: Aвн. = — ∆U

Т.е., энергия для выполнения работы берётся из запасов внутренней энергии тела, и поэтому невозможно постоянное выполнение такой работы – лишь до момента, когда иссякнет внутренняя энергия.

Второй закон термодинамики. Невозможно передать энергию (теплоту) от менее нагретой системы к более нагретой без одновременного изменения этих двух систем или окружающих тел.

Постулат Клаузиуса. Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему.

Постулат Томпсона (Кельвина). Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара.

Третье начало термодинамики. Приращение энтропии при абсолютном нуле температуры стремится к конечному пределу, не зависящему от того, в каком равновесном состоянии находится система.

Теорема Нернста. Это физический принцип, определяющий поведение энтропии при абсолютном нуле температуры.

4. Тепловые машины, их применение.

Научный предмет термодинамики. Непосредственным предметом интереса термодинамики, как научной дисциплины, являются тепловые двигатели и, соответственно, коэффициенты их полезного действия.

Определение теплового двигателя. Тепловой двигатель – это устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую работу.

Функциональная схема теплового двигателя. Все без исключения тепловые двигатели функционально делятся на три составляющие: Нагреватель; Рабочее тело; Холодильник.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя. Основным показателем работы теплового двигателя является КПД – коэффициент полезного действия.

Определение КПД теплового двигателя. КПД теплового двигателя – это отношение полезной работы, выполненной рабочим телом, к количеству теплоты, переданной телу от нагревателя.

Вычисление КПД реального теплового двигателя. КПД вычисляется формулой:

.

По закону сохранения энергии: энергия, отошедшая от нагревателя, никуда не исчезает — часть её отводится в виде работы, остальная часть приходит на холодильник:

.

Получаем:

Формула Карно для вычисления КПД идеального теплового двигателя. КПД идеального двигателя (в котором нет потерь тепла и все тепло идет на выполнение работы) вычисляется по формуле Карно:

Т.о., КПД идеального двигателя зависит только от температур нагревателя и холодильника.

Демонстрации:

Взаимные переходы между агрегатными состояниями.

Кипение и парообразование.

Теплопроводность в природе.

Теплопроводность металлов.

Явление конвекции в газе (в воздухе).

Явление конвекции в жидкости.

Излучение.

Опыт Джеймса Джоуля о совершении газом работы в тепловых процессах.

Вечные двигатели.

Контрольные вопросы:.

1. Сформулируйте основные признаки агрегатного состояния физических тел.

2. Назовите отличительные признаки твердых тел, жидкостей и газов.

3. Сформулируйте агрегатные состояния физических тел с точки зрения атомно-молекулярных представлений.

4. Назовите молекулярные особенности твердых тел.

5. Назовите молекулярные особенности жидкостей.

6. Назовите молекулярные особенности газов.

7. Назовите взаимные переходы между агрегатными состояниями и сформулируйте суть этих переходов.

8. Определите температурные особенности взаимных переходов веществ из одного агрегатного состояния в другое.

9. Назовите промежуточные фазы взаимных переходов веществ из одного агрегатного состояния в другое.

10. Сформулируйте физические характеристики и дайте определения тепловым процессам и явлениям в природе.

11. Назовите три способа передачи теплоты.

12. Сформулируйте определение теплопроводности.

13. Определите, что в термодинамике означает коэффициент удельной теплопроводности.

14. Назовите физические свойства теплопроводности.

15. Сформулируйте определение конвекции.

16. Сформулируйте определение излучения.

17. Сформулируйте, что такое спектр излучений и его основные характеристики.

18. Сформулируйте закон сохранения энергии в тепловых процессах.

19. Определите значение законов термодинамики.

20. Сформулируйте закон сохранения механической энергии.

21. Объясните на практическом примере действие закона сохранения энергии в двигателе внутреннего сгорания.

22. В чем значение открытий Джеймса Джоуля?

23. Назовите два способа изменения внутренней энергии тела.

24. Сформулируйте первый закон термодинамики.

25. Назовите физические характеристики «Вечного двигателя».

26. Приведите доказательство невозможности Вечного двигателя, основываясь на первом законе термодинамики.

27. Сформулируйте второй закон термодинамики.

28. Назовите физические смыслы постулатов Клаузиуса и Томпсона (Кельвина).

29. Сформулируйте третий закон (третье начало) термодинамики.

30. Охарактеризуйте теорему Нернста с точки зрения ее значения для теоретической физики.

31. Приведите примеры использования человеком тепловых машин.

32. Сформулируйте понятие тепловой машины (теплового двигателя).

33. Назовите научный предмет термодинамики.

34. Дайте определение теплового двигателя.

35. Объясните функциональные особенности теплового двигателя.

36. Объясните, что такое коэффициент полезного действия теплового двигателя.

37. Определите КПД теплового двигателя на практическом примере.

38. Сформулируйте, для чего нужна формула Карно?

Литература:

1. Ахмедова Т.И., Мосягина О.В. Естествознание: Учебное пособие / Т.И. Ахмедова, О.В. Мосягина. – М.: РАП, 2012. – С. 137-158.

Конспект «Уравнение теплового баланса» — УчительPRO

Уравнение теплового баланса

Ключевые слова конспекта: количество теплоты, уравнение теплового баланса, закон сохранения энергии в тепловых процессах.

---

---

Для механических явлений при определённых условиях выполняется

закон сохранения механической энергии: полная механическая энергия системы тел сохраняется, если они взаимодействуют силами тяготения или упругости. Если действуют силы трения, то полная механическая энергия тел не сохраняется, часть её (или вся) превращается в их внутреннюю энергию.

При изменении состояния тела (системы) меняется его внутренняя энергия. Состояние тела и соответственно его внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: в процессе теплопередачи или путём совершения внешними силами работы над телом (работа, например, силы трения). Мерой изменения внутренней энергии тела в процессе теплообмена выступает количество теплоты (Q).

Уравнение теплового баланса

В изолированной системе при смешивании горячей и холодной воды, количество теплоты Q₁, отданное горячей водой, равно количеству теплоты Q₂, полученному холодной водой, т.е.: |Q

1|= |Q₂|.  Q₁ (выделенное) < 0,  Q₂ (полученное) > 0. 

Q_{отданное} + Q_{полученное} = 0

Записанное равенство называется уравнением теплового баланса (эта формула и уравнение, используемое в 8 классе!). Определение: суммарное количества теплоты, которое выделяется в теплоизолированной системе равно суммарному количеству теплоты, которое в этой системе поглощается.

Уравнение теплового баланса связывает количество теплоты, полученное одним телом, и количество теплоты, отданное другим телом при теплообмене. При этом в теплообмене могут участвовать не два тела, а три и более: Q₁ + Q₂ + Q₃ + … = 0

Уравнение теплового баланса – это закон сохранения энергии для процессов теплообмена в термоизолированных системах. Оно даёт возможность определить те или иные величины. В частности, значения удельной теплоёмкости веществ определяют из уравнения теплового баланса.

---

◊◊◊ Обратите внимание! В более старших классах используется следующее определение «уравнения теплового баланса»: Если в изолированной системе тел не происходит никаких превращений энергии кроме теплообмена, то количество теплоты, отданное телами, внутренняя энергия которых уменьшается, равно количеству теплоты, полученному телами, внутренняя энергия которых увеличивается. При этом суммарная энергия системы не изменяется«. А также используется другая формула уравнения (с учетом интегральной формы Первого начала термодинамики):

---

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Закон сохранения энергии в тепловых процессах выполняется при нагревании тел за счёт энергии, выделяющейся при сгорании топлива. Топливо — это природный газ, дрова, уголь, нефть. При его сгорании происходит химическая реакция окисления — атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе, и образуется молекула оксида углерода (углекислого газа) С0₂. При этом выделяется энергия.

При сгорании различного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, хорошо известно, что природный газ является энергетически более выгодным топливом, чем дрова. Это значит, что для получения одного и того же количества теплоты, масса дров, которые нужно сжечь, должна быть существенно больше массы природного газа. Следовательно, различные виды топлива с энергетической точки зрения характеризуются величиной, называемой удельной теплотой сгорания топлива.

---

Конспект урока «Уравнение теплового баланса».

Следующая тема: «Испарение. Конденсация».

 

«Закон сохранения энергии в тепловых процессах»

Тема: “Закон сохранения энергии в тепловых процессах”

Тип: Урок закрепления знаний изученного материала

Вид: Урок по методу проектов

Цели:

— Систематизация и обобщение ранее полученных знаний по данной теме;
— Дать представления о проектной деятельности и разработать элементарный проект по заданной проблеме;
— Заинтересовать учащихся исследовательской деятельностью;
— Развивать логическое мышление и умения обобщать;
— Научиться сопоставлять и изменять полученные знания на практике и в быту;
— Воспитывать чувство коллективизма, взаимопомощи, умение работать в группах.

Оборудование: На столах приборы согласно проектам, компьютер.

Оформление: На доске портрет М.В. Ломоносова, плакат со словами:

“Может собственным Платоном
И быстрых разумом Невтонов
Российская земля рожать”

М.В. Ломоносов.

Ход урока:

Про теплоту начнем рассказ
Всё вспомним, обобщим сейчас
Энергия работа до кипения.
Чтоб лени наблюдалось испарение
Мозги не доведём мы до плавления,
Их тренируем до изнеможения.
В учении проявляем мы старание,
Идей научных видя обоняние!
Задачу мы любую одолеем,
И другу подсобить всегда сумеем.
Историю науки изучаем
И Ломоносова великим почитаем,
И проявляем мы себя в труде
Как двигатель с высоким КПД!
Но как же жизнь бывает непроста
С той дамой, что зовётся Теплота!

Учитель: Добрый день, дорогие друзья!

Тема нашего сегодняшнего урока “Закон сохранения энергии в тепловых процессах”. Я надеюсь вы повторили эту тему. Сейчас мы вспомним законы и формулы, но не будем решать сложных задач, вне всякого сомнения, вы умеете делать это хорошо. Задача нашего урока другая. Сегодня вы попробуете себя в роли исследователей, попробуете выполнить несколько элементарных проектов-заданий, в которых решаются задачи, возникающие, кстати, достаточно в обычной жизни.

В процессе изучения различных физических явлений мы знакомились с самыми различными формами энергии. Поскольку сейчас мы закончили изучение темы “Тепловые явления” нас, прежде всего, интересует внутренняя энергия и способы её изменения. Прошу ответить на вопросы:

Учитель: Что называется внутренней энергией?

Учащийся: Внутренняя энергия – это энергия движения и взаимодействия молекул.

Учитель: Какими способами можно изменить внутреннюю энергию?

Учащийся: Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: совершением над телом механической работы или теплопередачей.

Учитель: С теплопередачей непосредственно связано такое понятие, как количество теплоты. Что же такое количество теплоты?

Учащийся: Количество теплоты – это энергия, которую тело получает либо теряет при теплопередаче

Учитель: Давайте охарактеризуем изученные нами тепловые процессы, именно формулами. Сейчас вам будут розданы листы с заданиями в виде таблиц, которые вы должны заполнить. Время работы 3 минуты. После этого вы сделаете взаимопроверку и каждый оценит работу рядом сидящего. (Приложение №1). Звучит музыка.

Учитель: Знаете ли вы, что физик Вальтер Нернст увлекался разведением карпов? Однажды кто – то глубокомысленно заметил: “Странный выбор. Кур разводить и то интереснее”. Учёный невозмутимо ответил: “Я развожу таких животных, которые находятся в тепловом равновесии с окружающей средой. Разводить теплокровных – это значит обогревать на свои деньги мировое пространство”. Справедливо ли замечание ученого? На этот и другие вопросы нам ответят законы термодинамики.

Учитель: А что такое термодинамика?

Учащийся: Термодинамика — раздел физики, изучающий законы теплового равновесия и превращения теплоты в другие виды энергии.

Учитель: Сформулируем принципы, которые носят название законов термодинамики.

Учащийся: Количество теплоты, полученное системой, расходуется на изменение её внутренней энергии и на работу, производимую системой против внешних сил.

Учащийся: Невозможен процесс, единственным результатом которого был бы переход энергии путем теплообмена от холодного тела к более горячему.

Учитель: Энергия, согласно закону сохранения не возникает из нечего , поэтому нельзя построить двигатель, который бы совершал работу большую, чем та энергия, которая подводится к двигателю из вне .

Учащийся: Невозможно создать двигатель 1 рода.

Учитель: Ну, коль вечный невозможно создать, то, что такое реально существующие тепловые двигатели?

Учащийся: Машины, преобразующие внутреннюю энергию в механическую, называют тепловыми двигателями.

Учитель: Из каких основных частей состоит любой тепловой двигатель?

Учащийся: Нагреватель —> рабочее тело — > холодильник.

Учитель: Назовите основные виды тепловых двигателей.

Учащийся: Паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина, реактивный двигатель.

Учитель: Каков КПД тепловых двигателей?

Учащийся: Обычно не более 30-40%.

Учитель: Человек очень расточительно использует энергию топлива, которую дарит нам природа. Мы, как не благодарные дети, проматываем наследство, накапливавшееся по крохам в течении миллионов лет. Природа поступает более мудро. Как же она решает энергетическую проблему? На этот вопрос вы ответите в своих проектах.

Проект №1

“Виды топлива”

Задания и вопросы	Рекомендации к ответам
1. Рассмотрите источники тепла, которые нас окружают.	Источниками тепла мы считаем газовую плитку, костёр, сгорание бензина, мазута, кокса в котельных. Горение – это экзотермическая реакция, которая идёт с выделением тепла. Гидроэлектростанции и тепловые станции тоже являются источниками тепла, так как дают до 70% всей электроэнергии, а это электроплитки, электрокамины и другие электро-обогреватели.
2. Проанализируйте виды топлива, которые используются в современной технике. Какие из них использовались в древности? Какие будут использоваться в будущем?	Проанализировав горение сухого горючего, свечи, растительного масла, горение эфира и пользуясь таблицей № 1 разделите виды топлива на 3 группы: твёрдое, жидкое, газообразное. Оказывается, из множества видов твёрдого топлива, наибольшее количест- во тепла выделяет бурый челябинский уголь, 14300 кДж на 1 кг топлива, и металлическое ракетное горючее: магний 24830 кДж алюминий 31000 кДж бериллий 66600 кДж. Из жидких видов: керосин осветит 43100 кДж на 1 кг жидкого топлива и дизельное топливо - 42700 кДж. Газообразное топливо отличается выделением большого количества энергии на 1 кг горючего топлива. Но самое большое количество энергии выделяется при сгорании водорода -119700 кДж.
3. На столе у вас приборы. Используйте их для составления задачи, в которой бы упоминалось сгорание. Приборы: 20 деревянных лучин, термометр, весы с разновесами.	На сколько повысится температура воздуха в большой пещере объемом 10 м на 15 м на 5 м, если там сгорят 20 деревянных лучин, массой 800 г? Начальная температура воздуха около 14?С.

Проект №2

“Отопление и обогрев”

Задание и вопросы	Рекомендации к ответам
1. Каким способом обычно, осуществляется обогрев жилых и промышленных помещений? Как можно исследовать конвекцию в помещении? Какие еще существуют способы теплопередачи?	Учащиеся рассматривают конкретные примеры обогрева квартиры, дачи, дома, бани. Изображение конвективных потоков.
2. Докажите с помощью приборов, что нагрев жидкости, стоящей на огне происходит конвективным способом.	Колба с водой нагревается на спиртовке, на дне — кристаллы марганца, закрепленные кусочком пластилина.
3. Составьте задачу, в которой бы учитывался обогрев какого-то предмета известными вам способами теплопередачи.	1. В предыдущем опыте сгорело 10 грамм спирта. На нагрев затрачено 30% полученной теплоты. На сколько повысилась температура одного литра воды? 2. Температура воды в отопительном котле 90?С. Начальная температура воды 10?С. В котле помещается 5м3 воды. Сколько мазута расходуется на разогрев и поддержание температуры такого котла, если потери составляют 15%? Считать, что разогрев происходит один раз.

Проект №3

“Приготовление пищи”

Задание и вопросы	Рекомендации к ответам
1. Какие тепловые способы приготовления пищи вам известны? В каждом случае укажите источник тепловой энергии и способ передачи теплоты к продуктам.	В дыму, на огне, на пару, в печи, на костре.
2. Большая часть нашей пищи готовится в кипящей воде. Как заставить картофель свариться быстрее?	Чтобы ваш картофель сварился быстрее, надо перед варкой бросить в кастрюлю с картофелем и водой кусочек сливочного масла. Нагреваясь, оно растопится и покроет поверхность воды тонкой пленкой. Эта защитная пленка будет препятствовать процессу испарения воды. А процесс испарения всегда сопровождается уменьшением температуры жидкости и ее количества. Сталкиваемся с такой ситуацией: половина жидкости выкипела, а картофель еще не сварился, приходится доливать воду и варить дальше, а на это требуется лишнее время.
3. Предложите или найдите в литературе какое- либо усовершенствование приготовления пищи.	Конфорку электрической плитки можно сделать из нагревательных элементов в виде колец. В электрическую цепь будут включаться только те кольца, размер которых соответствует дну кастрюли.
4. Придумайте задачу, в которой упоминается процесс приготовления пищи.	Сколько березовых дров необходимо собрать для костра туристам, чтобы вскипятить ведро родниковой воды? Температура воды в роднике 9?С. Считать, что потерь тепла не существует.

Проект № 4

“Теплопередача и закон сохранения энергии”

Задания и вопросы	Рекомендации к ответам
1. Предложите опыты с простым школьным оборудованием для демонстрации разных видов теплопередачи и объясните их схематически.	Кипячение воды в бумажной коробочке, нагревание термометра на расстоянии от источника тепла (лампа, плитка, отклеивание кнопок от нагреваемого пламени стержня).
2. При изменении температуры тело может изменять свои механические свойства: длину, объем, плотность, упругость, хрупкость. Приведите примеры.	Опыты: нагревание монеты трением, металлической спицы в пламени (одним концом спица упирается в огонь или касается его), нагревание воздуха в колбе с жидкостью (движется столбик жидкости в трубке).
3. Как определить температуру предмета, нагретого в пламени, если у вас имеется еще калориметр с холодной водой, термометр, весы с разновесами, таблицы?	Учащиеся демонстрируют опыт, объясняют наблюдаемые явления, рисуют схему передачи тепла в опыте и оформляют ответ в виде задачи.

Проект №5

“Энергия и теплота в живой природе”

Задания и вопросы	Рекомендации к ответам
1. Главный закон, которому подчиняются все тепловые процессы – закон сохранения энергии. Все живые организмы затрачивают в процессе жизнедеятельности много энергии (движение, питание, охота). Откуда они берут энергию?	Рассматриваются химические реакции внутри клетки. Вся серия этих реакций называется внутренним дыханием (тканевым, клеточным). Оно подразделяется на аэробное и анаэробное. Первое связано с распадом некоторых веществ при участии кислорода и происходит с большим выделением энергии, второе – с бескислородным превращением глюкозы. Дыхание живых существ иногда называют медленным горением. Рассказ можно построить с использованием таблиц 2-4.
2. Рассмотрите внимательно таблицы 3 и 4. К какой категории лиц вы отнесли бы школьников, учитывая их ежедневные энергозатраты?	Иногда учащиеся относят себя к работникам, деятельность которых связана со значительными физическими усилиями.
3. Учитывая средние энергозатраты школьника, предположите какие продукты помогут вам восстановить силы при “сгорании” пищи в организме.	Считая только массу одного какого — либо продукта, “сгорание” которого дает необходимую энергию. Теоретически учащиеся получают необычные результаты: 1.8 кг. овсяной каши в день, 2.6 кг. картофеля в день и так далее.
4. С помощью таблиц 4 и 5 составьте примерное меню для одного приема пищи для спортсмена – футболиста, считая, что за этот прием он должен получить 50% необходимой ему ежедневной нормы жизненной энергии.	Рассматривая футболиста-спортсмена как машину, которая всю получаемую энергию тут же расходует, учащиеся приходят к выводу, что ему необходимо до 3 кг. пищи на прием. Становится ясно, что механический подход к описанию процессов в живом организме недопустим.
5. Приведите примеры о влиянии тепловой энергии окружающей среды на процессы в живой природе.	Некоторые организмы, особенно в стадии покоя, способны существовать при очень низких температурах. Например, споры микроорганизма выдерживают охлаждение до — 200?С. А отдельные виды бактерий и водоросли могут жить и размножаться в горячих источниках при +80?С — +90?С. Различают организмы с непостоянной температурой: лягушки, рыбы, крокодилы, змеи, — и с постоянной температурой: волк, медведь. Температура тела зависит от температуры окружающей среды.
	В жаркое время года у растений усиливается испарение, животные избегают перегрева путем приспособления: скрываются в норах, под деревьями. Таким образом температура окружающей среды представляет собой важный и зачастую ограничивающий жизненные проявления фактор.

Проект №6

“Тепловые механизмы и двигатели”

Задания и вопросы

Рекомендации к ответам

1. Приведите примеры механизмов, использующих при своей работе тепловую энергию. Укажите в каждом случае источник энергии, путь ее преобразования.

В своей жизни мы постоянно встречаемся с разнообразными двигателями. Они приводят в движение автомобили и самолеты, трактора и корабли, железнодорожные массивы и ракеты. работа тепловых машин связана с потреблением различных видов энергии. Конструкция первых паровых машин имела основные части всех последующих тепловых машин: нагреватель, в котором освобождалась энергия топлива, водяной пар как рабочее тело

Первый закон термодинамики = Закон сохранения энергии, внутренняя энергия, тепло, работа, энтальпия, энтропия.

Адрес этой страницы (вложенность) в справочнике dpva.ru:  главная страница  / / Техническая информация / / Физический справочник / / Тепловые величины: теплоемкость, теплопроводность, температуры кипения, плавления, пламени. Удельные теплоты сгорания и парообразования. Термические константы. Коэффициенты теплообмнена и расширения / / Термодинамика. Энергия, тепло, работа, энтальпия, энтропия…  / / Первый закон термодинамики = Закон сохранения энергии, внутренняя энергия, тепло, работа, энтальпия, энтропия. Поделиться:    Закон сохранения энергии — 1-й закон термодинамики, внутренняя энергия, тепло, работа, энтальпия, энтропия. Вариант для печати. Первый закон термодинамики = Закон сохранения энергии  гласит, (4 разные формулировки) что : Энергия не может быть создана или уничтожена (закон сохранения энергии), она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических процессах. Отсюда следует, что внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной. Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы против внешних сил. Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход. Изменение внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты, переданной системе, и работой, совершенной системой над внешними силами. Первый закон термодинами гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена. Таким образом, энергия системы (замкнутой) — постоянна. Тем не менее, энергия может быть передана от одного элемента системы другому. Рассмотрим замкнутую систему, изолированную от остальных. Передача энергии между различными подсистемами в ней может быть описана как : E1 = E2 где E1 = начальная энергия E2 = конечная энергия Внутрення энергия (в термодинамике) включает : Кинетическую энергию движения атомов Потенциальную энергию хранящуюся в химических связях Гравитационную энергию системы Первый закон является основой для термодинамической науки и инженерного анализа. Базируется на возможных типах обмена (энергии), ниже приведены 3 типа систем: пред — изолированные системы (isolated systems): отсутствует обмен элементами системы или энергией закрытые системы (closed systems): отсутствует обмен элементами системы, но присутствует некоторый обмен энергией открытые системы (open systems): возможен обмен как элементами системы, так и энергией Первый закон термодинамики помогает использовать ключевые концепции внутренней энергии (internal energy), тепла (heat), и работы системы (system work). которые широко используются в описании тепловых систем (heat engines). Внутренняя энергия ( Internal Energy) — Внутренняя энергия определяется как энергия случайных, находящихся в неупорядченном движении молекул. Энергия молекул находится в диапазоне от высокой, необходимой для движения, до заметной лишь с помощью микроскопа энергии на молекулярном или атомном уровне. Например, у стакана с водой комнатной температы, стоящего на столе нет, на первый взгляд, никакой энергии: ни кинетической, ни потенциальной относительно стола. Но, с помощью микроскопа становится заметна «бурлящая» масса быстро двигающихся молекул. Если выплеснуть воду из стакана, эта микроскопическая энергия не обязательно заметно изменится, когда мы усредним добавленную кинетическую энергию на все молекулы воды. Тепло — Тепло может б

Закон сохранения энергии в тепловых процессах.

Почему для нагревания газа, который не может расширяться, за­тра­чивается меньше энергии, чем для нагревания расширяющегося газа?

Изменение состояния идеального газа показано на графике V – T (рис.24). Покажите эти изменения на гра­фи­ке р — V, и выясните, на каких участ­ках газ поглощает и отдает тепло.

На сколько ΔU изменилась внутрен­няя энергия одно­атом­но­го газа, количество ве­щества которого ν = 10 моль, при его изо­­барном нагревании на ΔТ = 100К? Какую работу А совершил при этом газ и какое количество теплоты ему было сообщено?

Какая часть Δ₁ количества теп­ло­ты, сообщенной одно­атом­ному газу в изо­бар­ном процессе, идет на уве­ли­че­ние внут­рен­ней энергии и какая часть Δ₂ на совершение работы?

Поршень перевели из положения А в положение В (рис.25) в первом слу­чае очень медленно, а во втором случае — очень быстро и выждали достаточное время. В обоих случаях точки А΄ и В΄ отражают

начальное и конечное сос­то­яния. Объяснить проходящие процессы и начертить ход графиков.

В идеальной тепловой машине за счёт каждого килоджоуля энергии, получаемой от нагревателя, совершается работа А = 300 Дж. Определить к.п.д. машины η и температуру Т_н нагревателя, если температура холодильника Т_х = 280 К.

Автомобиль массой М = 1200 кг на горизонтальном пути развивает скорость υ = 72 км/ч, расходуя при этом m = 80 г бензина на S = 1 км пути. Какую скорость разовьёт автомобиль при той же мощ­ности на пути с подъёмом h = 3,5 м на ℓ = 100 м? К.п.д. двигателя η = 28%. Теплотворная способность бензина q = 45 · 10⁶ Дж/кг.

Реактивный самолёт имеет четыре двигателя, развивающих силу тяги F = 20000 Н каждый. Сколько керосина израсходуют двигатели на перелёт ℓ = 5000 км? Теплотворная способность керосина q = 45 · 10⁶ Дж/кг, к.п.д. двигателя η = 25%.

Междугородний автобус прошёл путь S = 80 км за время t = 1 ч. Двигатель при этом развивал среднюю мощность Р = 70 кВт при к.п.д., равном η = 25%. Сколько ΔV дизельного топлива, плотность которого ρ = 800 кг/м³, сэкономил водитель в рейсе, если норма расхода горючего V = 40 л на ℓ = 100 км пути?

Автомобиль массой m = 4,6 г трогается с места на подъёме, равном α = 0,025, и, двигаясь равноускоренно, за время t = 40 с проходит S = 200 м. Найти расход бензина V (в литрах) на этом участке, если коэффициент сопротивления k = 0,02 и к.п.д. двигателя η = 20%. Плотность бензина ρ = 700 кг/м³.

Максимальный к.п.д. некоторой тепловой машины равен η_о= 0,4. На сколько Δη измениться этот коэффициент, если температура нагревателя увеличится в m = 1,2 раза, а температура холодильника в n = 1,5 раза?

Во сколько раз n максимально возможный к.п.д. газотурбинного двигателя больше максимально возможного к.п.д. паровой машины, работающей на перегретом паре при температуре t₁ = 300°С, если температура газов в цилиндре достигает t₂= 1000°? Отработанные газы и пар имеют одинаковую температуру t₃= 160°С.

Поршень массы М, замыкающий объём V_о с одноатомным газом при дав­ле­нии р_о и температуре Т_о, движется со скоростью u. Оценить температуру Т и объём V газа при максимальном сжатии. Система тепло­изо­ли­ро­вана, тепло­ёмкостями поршня и сосуда пре­не­бречь (рис.26).

В каком случае к.п.д. цикла Карно по­вы­сит­ся больше: при увеличении тем­пе­ра­туры нагревателя на ΔТ или при уменьшении темпе­ра­туры холодильника на такую же величину?

Водород совершает цикл Карно. Найти к.п.д. цикла, если при адиа­ба­ти­чес­ком расширении:

б) давление уменьшается в n = 2 раза.

Найти к.п.д. цикла η, состоящего из двух изохор и двух адиабат, если в пределах цикла объём идеального газа изменяется в n = 10 раз. Рабочим веществом является азот.

Найти к.п.д. цикла η, состоящего из двух изобар и двух адиабат, если в пре­делах цикла дав­ле­ние изменяется в n раз. Рабочим вещест­вом явля­ет­ся идеаль­ный газ с показателем адиа­ба­ты γ.

Состояние моля иде­аль­но­го газа изменя­лось в начале по изо­хоре 1-2, а затем по изобаре 2-3 (рис.27). При этом газом совершена работа А. Известно, что температура в конечном состоянии 3 равна температуре в состоянии 1. Определить отношение давлений в состояниях 1 и 2, если температура в состоянии 2 равна Т₂.

Моль идеального одноатомного газа переводится из начального состояния с тем­пе­ра­ту­рой Т = 300 К в состояние, в котором его температура увеличилась в три раза, а объём умень­шил­ся в два раза. Найти подведённое к газу количество тепла Q . Известно, что из всех путей перевода газа из начального состояния в конечное, на которых давление не падает ниже началь­но­го, был выбран путь, на котором над газом совер­шена минимальная работа.

На рис.28 изображены два замкнутых цикла 1-2-3-4 и 1-3-4-1. Оба цикла проведены с идеальным одноатомным газом. У какого из циклов к.п.д. выше и во сколько раз n?

Закон сохранения энергии в механических и тепловых процессах

1.	Превращения энергии	1 вид — рецептивный	лёгкое	1 Б.	Отработка навыка описания взаимопревращений потенциальной, кинетической и внутренней энергии при броске шара вверх с последующим его падением и ударом о землю.
2.	Нагревание при сжигании топлива	1 вид — рецептивный	лёгкое	2,9 Б.	Отработка навыка пошагового нахождения изменения температуры воды заданной массы при её нагревании за счёт теплоты, выделившейся в результате полного сгорания заданной массы керосина.
3.	КПД нагревательной установки	1 вид — рецептивный	лёгкое	2 Б.	Отработка навыка пошагового определения КПД нагревательной установки.
4.	Нагревание за счёт сгорания топлива	2 вид — интерпретация	среднее	2 Б.	Отработка навыка определения изменения температуры заданного вещества заданной массы при нагревании его за счёт теплоты, выделившейся в результате полного сгорания заданной массы заданного топлива.
5.	КПД нагревательной установки	2 вид — интерпретация	среднее	3 Б.	Отработка навыка определения КПД нагревательной установки.
6.	Нагревание при падении на землю	2 вид — интерпретация	среднее	4 Б.	Отработка навыка определения изменения температуры упавшего с заданной высоты тела.
7.	В котле	3 вид — анализ	сложное	4 Б.	Отработка навыка определения конечной температуры в сосуде при смешивании в нём горячей и холодной воды заданных масс и температур.
8.	Нагревание при падении с высоты	3 вид — анализ	сложное	4 Б.	Отработка навыка определения изменения температуры тела, падающего с заданной высоты.
9.	Мощность двигателей самолёта	3 вид — анализ	сложное	5 Б.	Отработка навыка определения мощности двигателей самолёта по массе сгоревшего топлива за данный промежуток времени и КПД его двигателей.
10.	Реактивный лайнер	3 вид — анализ	сложное	5 Б.	Отработка навыка определения массы топлива, необходимой для полёта реактивного лайнера на заданное расстояние, по КПД двигателя и развиваемой им силе тяги.
11.	Паровой молот	3 вид — анализ	сложное	5 Б.	Отработка навыка определения количества ударов парового молота, необходимых для нагревания болванки под ним на заданное количество градусов.
12.	Измерение температуры воды	3 вид — анализ	сложное	5 Б.	Отработка навыка определения ошибки измерения температуры воды.
13.	Охлаждение энергетической установки	3 вид — анализ	сложное	6 Б.	Отработка навыка определения скорости протекания воды в охладительной системе (трубке).