Первый закон термодинамики. Тепловые двигатели и КПД тепловых двигателей

1. Первый закон термодинамики. Тепловые двигатели и КПД тепловых двигателей.

1

2.

• 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,
2

3.

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
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.
3

4.

Способы изменения внутренней энергии
Теплопередача
Теплопроводность
Конвекция
Излучение
Механическая работа (деформация)
Изменение формы:
сгибание подковы
Изменение объема:
вспыхивание ваты при
сжатии воздуха
Трение: опыт Джоуля

5.

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
ΔU = Q + A

6.

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

7.

Виды изопроцессов

8. ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

– 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

9.

Изотермическое расширение
T = const
m= const
V p
V1<V2 V>0
p
p1
1
U = 0
A >0
A<0
Q>0
T1=T2
p2
2
V1
T1=T2 T=0
V2
V
Q = A

10.

Изотермическое сжатие
T = const
m= const
V p
V2 <V1 V<0
p
p2
2
U = 0
A <0
A>0
Q<0
T1=T2
p1
1
V2
T1=T2 T=0
V1
V
Q =-A

11. ИЗОБАРНЫЙ ПРОЦЕСС

– 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

12.

Изобарное нагревание (расширение)
p=const
m=const
T V
V2>V1 V>0
p
U>0
A >0
A<0
Q>0
p1=p2
1
2
T2›T1
V1
T2>T1 T>0
V2
V
Q = U +A

13.

Изобарное охлаждение (сжатие)
p=const
m=const
T V
V2‹V1 V‹0
p
U‹0
A ‹0
A›0
Q‹0
p1=p2
2
1
T2‹T1
V2
T2‹T1 T‹0
V1
V
Q = - U-A

14. 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.

15.

Изохорное нагревание
V=const
m=const
p
p2
p1
2
T p
V2=V1 V=0
Q>0
U>0
A =0
A=0
T2>T1
1
V1= V2
T2>T1 T>0
Q = U
V

16.

Изохорное охлаждение
V=const
m=const
p
p1
p2
1
2
V1= V2
T p
T2‹T1 T‹0
V2=V1 V=0
Q‹0
U‹0
A =0
A=0
T2‹T1
Q = - U
V

17. 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

18.

Адиабатное расширение (охлаждение)
Q=0
m=const
p
V
p
T
1
p1
p2
V2>V1 V>0
U<0
A<0
A'>0
A'= - ∆U
2 T2<T1
V1
T2<T1 T<0
V2
V

19.

Адиабатное сжатие (нагревание)
Q=0
m=const
p
V
p
T
2
p2
p1
V2‹V1 V‹0
U›0
A›0
A'‹0
A = ∆U
1 T2›T1
V2
T2›T1 T›0
V1
V

20. Тепловые двигатели

20

21. 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.
21

22.

22

23.

Двигатели внутреннего
сгорания
Паровая
машина
Турбины
Паровая
Карбюраторный
Дизельный
Газовая
Реактивный
23

24.

Механическая
работа в
двигателе
совершается
при
расширении
рабочего
вещества,
перемещающе
го поршень в
цилиндре.
24

25.

Для
цикличной,
непрерывной
работы
двигателя
необходимо
возвращение
поршня в
первоначально
е положение,
т.е. сжатие
рабочего
вещества.
25

26.

Легко сжимаемым является
вещество в газообразном
состоянии, поэтому в качестве
рабочего вещества в тепловых
двигателях используется
или
.
26

27.

Нагреватель
Q1
Рабочее
тело
Aп
Ап Q1 Q2
Q2
Холодильник
27

28.

двигателя
– это отношение работы,
совершаемой двигателем за цикл, к
количеству теплоты, полученному
от нагревателя
28

29.

Так как у всех двигателей некоторое
количество теплоты передается
холодильнику, то
.
КПД теплового двигателя
пропорционален разности температур
нагревателя и холодильника, т.е.
при
.
29

30. 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.
30

31. Цикл Карно

Сади Карно, выясняя, при каком замкнутом процессе
тепловой двигатель будет иметь максимальный
КПД, предложил использовать цикл, состоящий из
и
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.
31

32.

32

33.

33

34.

35.

• 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.
35

36.

36

37.

37

38.

4 тонны
КИСЛОРОДА
800кг
ОКИСИ
УГЛЕРОДА
40кг
ОКИСИ
АЗОТА
200кг
УГЛЕВОДОРОДОВ
СВИНЕЦ
и др.
38

39. Воздействие тепловых двигателей на окружающую среду.

Отрицательное влияние тепловых машин
на окружающую среду связано с действием
различных факторов.
• Во-первых,
39

40. Воздействие тепловых двигателей на окружающую среду.

• Во-вторых,
• В-третьих,
40

41.

41

42. 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
42

43.

43

44.

44