Принцип действия тепловых двигателей

1.

Очно - заочная школа
для одаренных детей
9-10 класс
ФИЗИКА
Пужульс Ирина Николаевна,
учитель физики БОУ г. Омска
«Лицей № 166», учитель ВКК, Почетный
работник РФ, заслуженный учитель
Омской области
[email protected]

2. Молекулярная физика. Электростатика.

Занятие 18

3. Принцип действия тепловых двигателей

Тепловой двигатель –
устройство преобразующее
внутреннюю энергию топлива в
механическую энергию.
Основные части теплового
двигателя: нагреватель, рабочее
тело и холодильник.
Чтобы получить полезную
работу, необходимо сделать
работу сжатия газа меньше
работы расширения.
Для этого нужно, чтобы
каждому объёму при сжатии
соответствовало меньшее
давление, чем при расширении.
Поэтому газ перед сжатием
должен быть охлажден.
Графики процесса
расширения и
сжатия газа.
АВ –расширение газа,
СД – сжатие газа до
первоначального
объёма.
Полезная работа
численно равна SCDAB
Схема тепловой
машины
Q1 – количество теплоты,
полученное от нагревателя
Q2 – количество теплоты,
отданное холодильнику
3

4. Коэффициент полезного действия тепловой машины

ŋ =А/Q1
Замкнутый процесс (цикл) – совокупность
термодинамических процессов, в результате
которых система возвращается в исходное
состояние.
В циклически действующей тепловой машине
совершаемая работа равна:
А = |Q1| – |Q2|.
КПД тепловой машины – отношение работы,
совершаемой двигателем за цикл, к количеству
теплоты, полученному от нагревателя:
ŋ =А/Q1.
Коэффициент полезного действия тепловой
машины всегда меньше единицы.
Задача теплоэнергетики состоит в том, чтобы
сделать КПД как можно более высоким, т.е.
использовать для получения работы как можно
большую часть теплоты, заимствованной от 4
нагревателя.

5. КПД идеальной тепловой машины

Впервые наиболее совершенный
циклический процесс, состоящий из
изотерм и адиабат, был предложен
французским физиком и инженером С.
Карно в 1824 г.
Цикл Карно – самый эффективный
цикл, имеющий максимальный КПД.
p
O
Для повышения КПД двигателя нужно
повышать температуру нагревателя и
понижать температуру холодильника.
5

6.

6

7.

7

8. Задача № 6

Кислород совершает замкнутый
цикл, изображённый на диаграмме
p, V. Найдите графически и
рассчитайте
работу,
совершённую газом в каждом
изопроцессе и в результате цикла.
На каких участках к газу
подводится количество теплоты?
Чему равно количество теплоты,
полученное газом от нагревателя?
Определите КПД цикла.
p
2p1
p1
O
2
3
1
V1
4
2V1
V
8

9. Решение к задаче № 6

с 282,
№1.
А-?
Q12-?
Q23-?
Q34-?
Q41-?
ŋ-?
p2=2p1
V4=2V1
i =5
1-2 изохорный процесс A12=0;
Q12>0; Q12 =imR(T2-T1)/2M; Q12 =i(p2V1-p1V1)/2;
Q12 =iV1(p2-p1)/2=ip1V1/2;
2-3 изобарный процесс (нагревание)
Q23 =ΔU23 + А23=imRΔT23/2M+p2(V3-V2);
mR(T3-T2)/M=p3V3-p2V2;
Q23 =i(p22V1-p2V1)/2+(p22V1-p2V1)=ip2V1/2+p2V1;
Q23 =p2V1(i+2)/2=p1V1(i+2);
3-4 изохорный процесс (охлаждение) A34=0;
Q34=imR(T4-T3)/2M=i(p12V1-2p12V1)/2=-ip1V1;
4-1 изобарный процесс (охлаждение)
Q41=imR(T1-T4)/2M=i(p1V1-p4V4)/2=i(p1V1-p12V1)/2;
Q41 =-ip1V1/2; Aполезная=ΔpΔV; Aполезная= p1V1;
Qполученное = Q12+ Q23; Qполученное = ip1V1/2+p1V1(i+2);
Qполученное = p1V1(i+2+i/2)= p1V1( 3i+4)/2;
ŋ= Aполезная/Qполученное
ŋ= p1V1/ [p1V1( 3i+4)/2]=2/(3i+4); ŋ=2/(15+4)=2/19;
p
Q23
2p1
2
3
Q12
Q34
p1
1
0
4
Q41
V1
2V1
V
Ответ: 2/19.
9

10. Домашнее задание

№1. Количество теплоты, получаемое двигателем от нагревателя, 100 Дж, а
отдаваемое холодильнику 75 Дж. Найдите КПД двигателя и совершаемую
работу.
№ 2. Чему равно максимальное теоретическое значение КПД паровой
машины, работающей в интервале температур 100-400оС?
№ 3. Паровая машина работает в интервале температур t1=120oC, t2=320oC,
получая от нагревателя количество теплоты Q1=200 кДж за каждый цикл.
Найдите: 1) КПД машины; 2) работу, совершаемую за цикл; 3) количество
теплоты, отдаваемое за цикл.
№ 4. Двигатель автомобиля расходует за час работы 5 кг бензина. При этом
температура газа в цилиндре двигателя T1=1200K, а отработанного газа
T2=370К. Удельная теплота сгорания бензина q=46MДж/кг. Определите
мощность, развиваемую двигателем.
10

11. Решения (№ 1, 2, 3, 4)

№ 1.
А-? η-?
A=Q1-Q2;
η=A/Q1;
Q1=100Дж A=25Дж;
Q2=75Дж η=25%.
Ответ: 25Дж; 25%.
№3
η‫ ?־‬A‫?־‬
Q2‫?־‬
T1=393K
T2=593K
Q1=2*105Дж
№ 2.
ηmax-?
T2=373K
T1=673K
η==1‫־‬T1/T2;
η= А/Q1; A= ηQ1;
A=Q1-Q2; Q2=Q1-A;
η= 200/593=0,337=33,7%;
A=68*103Дж;
Q2=132*103Дж.
Ответ: 33,7%; 68кДж; 132кДж.
ηmax=1‫־‬T2/T1;
ηmax=1-373/673=1-0,5542=
=0,4458 ≈ 0,45; ηmax= 45%.
Ответ: 45%.
№4
N-?
τ=3600c
m=5кг
T1=1200K
T2=370K
q= 46*106Дж/кг
Q1=qm;
η=1‫־‬T2/T1;
Q2=Q1(1- η);
A=Q1-Q2= ηQ1;
N=A/τ; N=ηQ1/τ;
Q1=2,3*108Дж;
η=0,69;
N=44*103Вт.
Ответ: 44кВт.11

12.

Электрический заряд – это физическая величина,
характеризующая свойство частиц или тел
вступать
в
электромагнитные
силовые
взаимодействия.
Обозначение - q или Q
Единица измерения ― 1Кл (Кулон) = 1A∙1c
Существует два рода электрических
зарядов, условно названных
положительными и отрицательными.
Одноименные
заряды
отталкиваются,
разноименные – притягиваются.

13.

• Элементарный электрический заряд
e 1,6 10
19
Кл
заряд электрона -e, заряд протона +e
• Электрический заряд дискретен (квантован)
Q n e
где n- целое число.

14. Закон сохранения заряда

В изолированной системе
алгебраическая сумма зарядов всех
тел остается постоянной
q1 + q2 + q3 + ... +qn = const
Следовательно - в замкнутой системе тел
не могут наблюдаться процессы рождения
или исчезновения зарядов только одного знака.

15.

q1 q 2
F k 2
r
Н м
k 9 10
2
Кл
9
2

16.

F21 q2
q1 F
12
+
r
F1 2 F 2 1 F
F k
q1 q 2
r
2
q1 q 2
k
q1 q 2
r
2
Н м
k 9 10
2
Кл
r – расстояние между зарядами
2
9
– произведение модулей зарядов
– диэлектрическая проницаемость среды (диэлектрика)

17.

q1 q2
F k
2
r
Н м
k 9 10
2
Кл
9
2

18.

q1 q 2
F k 2
r
1
k
4 0
Н м
k 9 10
2
Кл
9
0 8,85 10
12
Ф
м
2

19.

Определить расстояние между двумя одинаковыми точечными зарядами по 3 мкКл
каждый, находящимися в вакууме, если модуль силы взаимодействия между ними
равен 100 мН.
Дано:
F=100 мН
q1=q2=q=3 мкКл
=1
2
q1 q 2 k q k q
F k
2
2
2
r
r
r
r ?
r 3 10
6
2
k
r q
F
9 10 3 10 6 9 10 10 3 10 6 3 10 5 0 ,9 м
3
100 10
9
О т в е т : r 0 ,9 м

20.

Во сколько раз уменьшится сила кулоновского отталкивания двух маленьких
бусинок с равными зарядами, если, не изменяя расстояния между ними,
перенести две трети заряда с первой бусинки на вторую бусинку?
Дано:
q1=q2=q
1
q1 q
3
5
q2 q
3
F1
?
F2
q1 q 2
q q
F1 k
k 2
2
r
r
q 1 q 2
q 5q
5 q q
F2 k
k
k 2
2
2
r
3 3 r
9 r
От вет :
F1 9
1,8
F2 5

21.

Два одинаковых шарика, имеющих заряды
+15·10-8 Кл и –5·10-8 Кл, привели в
соприкосновение, а затем раздвинули на
расстояние 10 см.
Определите силу взаимодействия между
шариками.

22.

Два одинаковых шарика, имеющих заряды +15·10-8 Кл и
–5·10-8 Кл, привели в соприкосновение, а затем раздвинули на
расстояние 10 см. Определите силу взаимодействия между
шариками.
Дано:
По закону сохранения электрического заряда
q1=+15 ·10-8 Кл
q
q
q
q
2
q
-8
1
2
1
2
q1= –5 ·10 Кл
r=10см
q1 q2
8
q
5 10 Кл
F–?
2
F k
q q
r
2
8 2
9 10 (5 10 )
3
2,25 10 Н
0,01
9
Ответ: F=2,25·10-3Н

23.

На концах отрезка длиной 4 см расположены
точечные заряды +6 и +3 мкКл. Найти модуль
силы, действующей на заряд 2 мкКл,
помещенный в середине отрезка.

24.

На концах отрезка длиной 4 см расположены точечные заряды
+6 и +3 мкКл. Найти модуль силы, действующей на заряд 2
мкКл, помещенный в середине отрезка.
Дано:
r=4 см
q1= 6 мкКл
q2= 3 мкКл
q3= 2 мкКл
F ?
F23
q1
+
F
r1 2 с м
F13
q3
+
F13
r2 2 с м
+
r 4см
F23
F F1 3 F 2 3
F F1 3 F 2 3
q1 q 3 9 10 9 3 2 10 6 2 10 6
F13 k 2
270Н
4
r1
4 10
1
F23 F13 1 3 5 Н
F 270 135 135Н
2
q2

25.

• Напряженность- силовая
характеристика электрического поля
• Напряженность электрического поля
в данной точке численно равна силе, с
которой поле действует на единичный
положительный заряд, помещенный в эту
точку
F
E
q
Н В
;
Кл м
• Единица измерения:
• Напряженность поляE
точечного заряда:
k q
r
2

26.

Q заряд источника поля
+
В
+
q
А
+
FВ
q
FА
пробный заряд
Будем изменять q в какое либо число раз. Опыт покажет:
Fn
F1 F2
...
const Е
q1
q2
qn

27. Напряженность электрического поля

• Напряженность электрического поля – векторная
физическая величина.
• Направление вектора совпадает в каждой точке
пространства с направлением силы,
действующей на положительный пробный
заряд.

28. Силовые линии электрических полей

Силовые линии
кулоновских полей

29. Принцип суперпозиции

30.

q1 q2
Е1
Е
Е2
+

31.

Е
q1 q2
Е2
+
Е1
+

32.

В точке А напряженность поля равна 63 Н/Кл, а в
точке В – 7 Н/Кл. Найдите напряженность поля в
точке С, лежащей посередине между точками А и В.
В
А
+
С
Е

33.

В точке А напряженность поля равна 63 Н/Кл, а в точке В – 7 Н/Кл. Найдите
напряженность поля в точке С, лежащей посередине между точками А и В.
В
Дано :
Е А 63 Н
Кл
ЕВ 7 Н
Кл
АС СВ
ЕС ?
3
А
+
С
1
kq
ЕА 2
rА
Е
kq
ЕВ 2
rВ
2
kq
ЕС 2
rС
kq
ЕА 2
rА
Е А rВ2 63
9
2
Е В rА 7
rВ
3 rВ 3rА
rА
rА rВ rА 3rА
rС
2 rА
2
2
ЕС rА2 1
2
Е А rС 4
Е А 63
ЕС
15,75 Н
4
4
Кл

34. Домашняя работа

1.
Во сколько раз электрическое притяжение протона и электрона
в атоме водорода больше гравитационного?
2.
Два одинаковых металлических шарика, заряд одного из
которых первоначально равен -5 мкКл, соприкасаются и затем
снова разводятся. Заряд одного из шариков после разведения
равен 3 мкКл. Определить в микрокулонах заряд второго
шарика до соприкосновения.