ТЕРМОДИНАМИКА 2021 (2)

1.

Термодинамика

2.

Исторически начало развитие
термодинамики связано с изучением
коэффициента полезного действия
тепловых машин. Развитие техники
повышенное распространение тепловых
машин в первой половине 19 века
настоятельно приобрели развитие теории
тепловых процессов.
• Однако физики того времени не могли
ответить на постановленные вопросы
строгой теорией тепловых явлений на
основе молекулярных представлений,
поэтому развитие теории тепловых
процессов пошло по своеобразному пути. В
1824г французский физик и инженерский
Сади Карно в работе «Размышление о
движущей силе огня» сформулировал
принцип, согласно которому
производительность тепловой машины
зависит не от рабочего вещества, а от
разности температур нагревателя и
холодильника.
• В дальнейшем термодинамика получила
развитие в работах Клайперона, Джоуля,
Клаузиуса, Манера, Томпсона и др.

3.

Основные понятия
Термодинамика - теория тепловых явлений, не учитывающая
молекулярное строение тел.
Термодинамическая система - система, состоящая из большого
числа частиц, которые совершают тепловое движение и,
взаимодействуя между собой, обмениваются энергиями.
Термодинамический процесс - любое изменение в
термодинамической системе.
Обратимым называется процесс , при котором возможен
обратный переход системы из конечного состояния в
начальное через те же промежуточные состояния, чтобы в
окружающих телах не произошло никаких изменений
(колебание маятника).
Необратимым – называется процесс сопровождаемый
трением, теплопередачей (расширение газа)

4.

Ломоносов Михаил
Васильевич (1711-1765).
Великий русский ученый –
энциклопедист, поэт и общественный
деятель, основатель Московского
университета, носящего его имя.
М.В. Ломоносову принадлежат
выдающиеся труды по физике, химии,
горному делу, и металлургии.
Он развил молекулярно-кинетическую
теорию теплоты, в его работах
предвосхищены законы сохранения
массы и энергии.
М.В. Ломоносов создал
фундаментальные труды по истории
русского народа, он является
основоположником современной русской
грамматики.

5.

Виды теплообмена:
Теплопередача - изменение
внутренней энергии без
совершения работы: энергия
передается от более нагретых
тел (или участков тел) к
менее нагретым.
Виды:
Теплопроводность –
Непосредственный обмен
энергией между хаотически
движущимися частицами
взаимодействующих тел или
частей одного и того же.
Конвенция –
перенос энергии потоками жидкости или газа.
Излучение –
перенос энергии электромагнитными волнами.
Единственный вид теплопередачи возможный в вакууме.

6.

Внутренняя энергия - сумма энергий
молекулярных взаимодействий и энергии
теплового движения молекул.
[U]=Дж
U = ∑ Екин+∑Епотенц
Внутренняя энергия идеального газа - сумма
кинетических энергий движущихся частиц.
3m
U
RT
2Μ

7.

При процессах охлаждение, конденсация, кристаллизация
закон записывается со знаком «-»

8.

9.

Теплоемкость.
Теплоемкость – скалярная физическая величина,
измеряемая количеством теплоты, которое
необходимо передать системе (или от системы),
чтобы изменить температуру на 1 К; зависит от
природы вещества.
Q
С
T
Q
Удельная теплоемкость - с уд
m T
Дж
[с уд]
кгК

10.

Уравнение теплового баланса.
Количество теплоты, получаемое телом. Считают
положительным. Количество теплоты, отданное
телом, считают отрицательным.
Уравнение теплового баланса (УТБ)
- это закон сохранения энергии для тепловых
процессов: энергия переходит от одного тела к
другому в равных количествах.
∑Q отданное = ∑Q полученное
Q1 , Q2 - количество теплоты, получено или отданное
соответствующим телом системы.

11.

Энергия не возникает из ничего и не исчезает никуда.
При теплообмене: C1 m1 ∆T = C2 m2 ∆ T
C1 m1 (T 2 - Θ ) = C2 m2 (T1 - Θ )
- конечная температура, [Θ ]=К
При совершении механической работы необходимо
учитывать КПД:
h
Q отданное = Q полученное
Q отданное может являться Екин или Епотен или другой
вид затраченной энергии.
h
= Q полученное/ Q затраченное 100%

12.

Начала термодинамики.
1. Количество теплоты, переданное системе, идет на
изменение ее внутренней энергии и на совершение
системой работы над внешними телами.
(закон сохранения и превращения энергии в
применении к тепловым процессам).
/
•Q = ∆ U + A

13.

Работа газа в термодинамике
(перечертить слайды 11,12,13,14. Обязательно!)
A P V

14.

15.

16.

17.

Адиабатный процесс
Процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и
окружающей средой
Условие
процесса
Q=const

18.

Необратимый характер тепловых процессов.
Тепловые машины, их применение
• Исторически начало развитие термодинамики связано с изучением
коэффициента полезного действия тепловых машин. Развитие
техники повышенное распространение тепловых машин в первой
половине 19 века настоятельно приобрели развитие теории тепловых
процессов.
•Однако физики того времени не могли ответить на постановленные
вопросы строгой теорией тепловых явлений на основе молекулярных
представлений, поэтому развитие теории тепловых процессов пошло
по своеобразному пути.
В 1824г французский физик и инженерский
Сади Карно в работе «Размышление о движущей силе
огня» сформулировал принцип, согласно которому
производительность тепловой машины зависит не
от рабочего вещества, а от разности температур
нагревателя и холодильника. В дальнейшем
термодинамика получила развитие в работах
Клайперона, Джоуля, Клаузиуса, Манера, Томпсона и
др.

19.

Николя́ Леона́р Сади́ Карно́ (1 июня 1796(17960601) — 24 августа 1832) —
французский физик и математик.
Сын известного политического
деятеля и математика Лазара
Карно и дяди Мари-Франсуа Сади
Карно, бывшего президентом
Франции. Сади Карно получил
хорошее домашнее образование.
В 1812 году блестяще закончил
лицей Карла Великого и поступил
в Политехническую школу —
В 1819 году выиграл конкурс на замещение
лучшее на тот момент учебное
вакансии в Главном штабе корпуса в
заведение Франции. После
Париже и перебрался туда. В Париже Карно
завершения которой в 1816 году продолжил обучение. Посещал лекции в
был распределен в инженерный Сорбонне, Коллеж де Франс,
Консерватории Искусств и Ремёсел. Там он
полк, где провел несколько лет. познакомился с химиком Никола
Клеманом, занимавшимся изучением газов.
Общение с ним вызвало интерес у Карно к
изучению паровых машин.

20.

И в 1824 году вышла первая и единственная
работа Сади Карно — «Размышления о движущей силе
огня и о машинах, способных развивать эту силу» . Эта
работа считается основополагающей в термодинамике.
В ней был произведен анализ существующих в то
время паровых машин, и были выведены условия, при
которых КПД достигает максимального значения (в
паровых машинах того времени КПД не превышал 2 %).
Помимо этого там же были введены основные понятия
термодинамики: идеальная тепловая машина , идеальный
цикл (Цикл Карно), обратимость и необратимость
термодинамических процессов.
В 1828 году Карно оставил военную службу. Он
много работал, при том что в 1830 году произошла
очередная французская революция. Умер Карно в 1832
году от холеры. По правилам все его имущество, в том
числе и бумаги, было сожжено. Таким образом, его
научное наследие было утрачено. Уцелела только одна
записная книжка — в ней сформулировано Первое начало
термодинамики.

21.

Идеальный тепловой двигатель
– преобразует энергия топлива в механическую.
В основе работы ИТД используется цикл Карно.
Цикл Карно состоит из двух адиабатных и двух изотермических
процессов.
Нагреватель
Теплота Qн
Рабочее тело
Работа А/
Холодильник
Теплота Qх
Q н Q х
А
h
Qн
Qн
/
h
Qн Q х
100%
Qн
Т х
Т
н
h
100%
Тн

22.

Иван Ползунов родился в семье
солдата, выходца из крестьян г. Туринска.
После окончания в 1742 году Горнозаводской
школы в Екатеринбурге был «механическим
учеником» у главного механика уральских
заводов Н. Бахарева.
Он отучился 6 лет в словесной, а затем в
арифметической школе при Екатеринбургском
металлургическом заводе, что по тем временам
было совсем немало.
В Барнауле молодой Ползунов получил
должность гиттеншрейбера, то есть плавильного
писаря.
Таким образом Ползунов теоретически знакомился с режимом плавки: сколько
и какой руды, угля, флюсов нужно для плавки в той или иной печи. В библиотеке
Барнаульского завода он знакомится с трудами М. В. Ломоносова, а также
изучает устройство паровых машин.
Одаренность молодого человека была столь очевидна, что привлекала
внимание заводского начальства.. Менее чем через 3 года после переезда в
Барнаул, 11 апреля 1750 г., по представлению одного из руководителей заводов
и Ползунов был произведен в младший шихтмейстерский чин.

23.

26 июня 1750 г. Иван Ползунов получил задание
измерить и описать дорогу до Змеиногорского рудника. К тому
времени там скопились огромные кучи руды, которую не
успевали вывозить. Ползунов осмотрел место для пристани, а
затем прошел с мерной цепью до самого рудника. Он намерил
85 верст 400 сажен, всю трассу обозначил кольями, наметил
даже "зимовья" - удобные места для ночевки обозов с рудой.
Длина будущей дороги оказалась в 2 раза короче действующей
рудовозной.
Ползунова направляют смотрителем за работой
плавильщиков на целых полгода, а затем на
Змеиногорский рудник.
Приходилось учиться у плавильной печи, в руднике,
перенимая опыт и знания у практиков, ведь ни вузов, ни
техникумов, ни даже школ на Алтае в ту пору не было, как не
было технической литературы на русском языке. Кроме
изучения различных горных работ Ползунов именно здесь
впервые проявил себя как изобретатель. Он принял участие в
постройке близ плотины новой лесопилки.
Пильная мельница была первым заводским
сооружением, возведенным под руководством
И.И.Ползунова.

24.

В апреле 1763 г. Иван Ползунов положил на стол начальника завода
неожиданный и дерзкий проект "огненной" машины. И.И.Ползунов предназначал
ее для приведения в действие воздуходувных мехов; а в дальнейшем мечтал
приспособить "по воле нашей, что будет потребно исправлять", но сделать это не
успел. В то время в России и мире ни одного парового двигателя еще не было.
Единственным источником, из которого ему стало известно, что есть такой на свете,
было книга И.В.Шлаттера "Обстоятельное наставление рудокопному делу",
изданная в Петербурге в 1760 году. Но в книге были только схема да принцип
действия одноцилиндровой машины Ньюкомена, о технологии же ее изготовления ни слова.
Ползунов позаимствовал у И.В.Шлаттера лишь
идею пароатмосферного двигателя, до всего
остального додумался сам. Необходимые познания
о природе теплоты, свойствах воды, воздуха, пара он
почерпнул из трудов М.В.Ломоносова. Трезво
оценивая трудности осуществления совершенно
нового в России дела, Ползунов предлагал построить
вначале в порядке эксперимента одну небольшую
машину разработанной им конструкции для
обслуживания воздуходувной установки
(состоявшей из двух клинчатых мехов) при одной
плавильной печи.

25.

Ползунов отчетливо представлял принцип работы теплового двигателя. Это видно на
примерах, которыми он характеризовал условия наилучшей работы изобретенного им
двигателя. Зависимость работы двигателя от величины температуры воды,
конденсирующей пар, он определял следующими словами: "действие эмволов и их
подъемы и спуски тем сделаются выше, чем в фанталах будет вода холоднее, а паче от
такой, которая близ пункта замерзания доходит, а еще не сгустеет и от того во всем
движении многую подаст способность«
Это положение, известное ныне в термодинамике в качестве частного случая
одного из основных ее законов, до Ползунова еще не было сформулировано. Сегодня
это означает, что работа теплового двигателя будет тем больше, чем ниже будет
температура воды, конденсирующей пар, а особенно при достижении ею точки
затвердевания воды - 0 градусов по Цельсию.
Двигатель Ползунова в его проекте 1763 г.
предназначался для подачи воздуха в
плавильные печи воздуходувными мехами.
При желании двигатель легко мог
совершать вращательные движения с
помощью широко известного в России
кривошипного механизма.
Проект Ползунова был рассмотрен
Канцелярией Колывано-Воскресенских
заводов и получил высокую оценку со стороны начальника заводов А.И.Порошина.

26.

Предстояло построить первый в России паровой двигатель, но не было ни
специалистов, способных возглавить строительство, ни квалифицированных
рабочих, знакомых с устройством подобных двигателей.
Сам Ползунов, принявший на себя обязанности общего руководителя работ, в какойто мере решил проблему технического руководства, но именно, "в какой- то мере",
потому что руководить одному человеку столь новым и сложным техническим
предприятием было не под силу.
"Прошпект деревянного
строения дому в котором
собрано огнем дышащая
машина".
Общий вид здания, в
котором И. И. Ползунов
установил изобретенную
и построенную им
первую паровую машину
для заводских нужд. Центральный
Государственный
исторический архив в
Ленинграде

27.

К 7 декабря в основном была закончена
сборка машины, и изобретатель решил произвести
первый пробный ее пуск, испытать в работе. К этому
времени Ползунов переселился в квартиру при
стекольном заводе. Не надо было тратить время на
дорогу из поселка и обратно. Теперь он пропадал у
машины до тех пор, пока силы совсем не оставляли
его.
Известно, что с мая 1764 г. по август 1765 г. он
трижды обращался к лекарю Барнаульского
госпиталя Якову Кизингу за помощью, т.к. был
"одержим колотием в груди".
К марту, наконец, были доставлены на 8
лошадях громадные крышки воздуходувных мехов,
сделанные по проекту изобретателя. Они были
установлены, и машина, наконец, полностью собрана.
Дело оставалось за плавильными печами.
Весной 1766 года болезнь Ползунова
усилилась. 18 апреля у него в очередной раз пошла
горлом кровь, после чего он уже не смог подняться с
постели. С беспощадной ясностью изобретатель
понял, что до пуска машины ему не дожить. 21 апреля
Макет паровой машины И.И.
Ползунов продиктовал ученику Ване Черницыну (сам
уже писать не мог) челобитную на имя императрицы о Ползунова - Краведческий музей
прошении обещанной премии для своей семьи.
Барнаула
16 мая 1766 г. в шесть часов вечера в г. Барнауле, на
Иркутской линии (ныне Пушкинской улице)
Двигатель И.И.Ползунова его
И.И.Ползунов скончался. Ему было 38 лет.
современники называли
"плавиленной фабрикой".

28.

Общее время полезной работы машины составило 1023 часа (42 суток и
15 часов). За это время было получено серебра 14 пудов 38 фунтов 17 золотников
42 доли, золота 14 фунтов 22 золотника 75 долей. За вычетом всех расходов на
постройку машины, оплату плавильщиков, даже 400 рублей награды Ползунову,
чистая прибыль составила 11016 рублей 10,25 копейки. А ведь машина работала
менее полутора месяцев, да и то не на полную мощность: обслуживала всего три
печи. И тем не менее было решено, что в дальнейшем "пущать ее в действо, по
изобилию в здешнем заводе воды, за нужно не признавается". Решение это
подписал начальник заводов Порошин, еще недавно горячий сторонник "огненной"
машины.
Причина была, видимо, в том, что на Колывано-Воскресенских заводах, как
и во всей крепостнической России, не было большой надобности в машинах.
Подневольных дешевых рабочих рук хватало.
Трагедия Ползунова заключалась в том, что он опередил свой век.
В 1784 году Джемс Уатт получил патент на универсальный тепловой двигатель,
завоевавший вскоре всемирное признание.
А машина Ползунова,
простояв 15 лет 5 месяцев и 10 дней,
в марте 1782 года была разобрана.
Имя И. И. Ползунова носит
Алтайский государственный технический университет,
а напротив него поставлен памятник изобретателю.

29.

II начало термодинамики.
Вечный двигатель, который мог бы работать, не вступая в теплообмен с
телами различной температуры невозможен.
( указывает направление возможных энергетических превращений).
Выучить одно, любое определение:
I. Коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины
определяется только температурами теплоотдатчика и
теплоприёмника. (С. Карно)
II. В природе невозможен процесс, единственным результатом
которого является переход теплоты полностью в работу. (М.
Планк)
III. Теплота не может сама собой переходить от тела с более
низкой температурой к телу с более высокой. (Клаузнус)

30.

Работа четырех тактного
двигателя внутреннего сгорания
Первый такт: Всасывание горючей смеси
в цилиндр. Поршень идет вниз. Впускной
клапан (слева) открыт. Выпускной клапан
(справа) закрыт.
Второй такт: Сжатие холодной рабочей
смеси. Оба клапана закрыты. Поршень идет
вверх.
В тот момент, когда поршень находится
близко к верхней (мертвой) точке,
срабатывает свеча зажигания. Горючая смесь
поджигается.
Третий такт: Рабочий ход. Смесь сгорает.
Давление продуктов сгорания на поршень
выросло. Поршень опускается вниз. Оба
клапана закрыты.
Четвертый такт: Выбрасывание продуктов
сгорания. Поршень идет вверх. Выпускной
клапан открыт. Впускной клапан закрыт.
Когда поршень оказывается в верхней
точке, начинается очередной цикл (Первый
такт).