1. Идеальный цикл Карно.
С. Карно, наблюдая за действием паровой машины, обратил внимание, что используемый для перемещения цилиндра пар затем выпускается в среду с меньшей температурой, где он превращается в воду (т.н. конденсат) и далее не используется. Карно задумался о возможности использования отработанного конденсата в котел, где он вновь нагреется, превратится в пар, который при своем дальнейшем расширении вновь совершит работу над поршнем. Таким образом, вода пройдет полный цикл. Однако такой непрерывный циклический процесс возможен лишь при наличии двух нагревателей: нагревателя при высокой температуре Т1 и холодильника при Т2.
Рассмотрим схематично идеальный цикл Карно. Он состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов.
Изотермический процесс. Пусть газ, находящийся над поршнем в цилиндре, находится в равновесии с окружающей средой. Будем медленно выдвигать поршень из цилиндра, не нарушая равновесия в каждый данный момент и сохраняя постоянной температуру газа. Этот процесс соответствует закону Бойля-Мариотта PV=const. (на рисунке – переход из точки 1 в точку 2). Заметим, что если опять, медленно возвращая поршень в исходной положение, сжимать газ, система из точки 2 вернется в точку 1, так как изотермический процесс обратим [1].
Адиабатический процесс. Как известно, это процесс без теплообмена с окружающей средой, т.е. процесс в некотором идеально теплоизолированном сосуде. Этот процесс тоже очень медленный, так что температура во время сжатия или расширения выравнивается во всех точках, но меняется в зависимости от объема.
Уравнение адиабатического процесса PV g = const, где g = cp/cv.
Рис.1
Цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов, которые образуют на графике в координатах PV криволинейный четырехугольник (см. рис. 1а). Адиабаты круче изотерм – они образуют боковые линии. Схемы соответствующих процессов приведены на рис. 1б.
Процесс (1)-(2): от нагретого тела с температурой Т1 тепло подводится (при постоянной температуре) к газу, который расширяется при постоянной температуре.
Процесс (2)-(3): газ расширяется в условиях полной теплоизоляции сосуда от окружающей среды.
Процесс (3)-(4): тепло отнимается при изотермическом процессе и отдается холодному телу с температурой Т2.
Процесс (4)-(1), замыкающий цикл соответствует адиабатическому сжатию.
Пусть в процессе (1)-(2) газ получает от холодильника теплоту Q1, а холодильнику отдает теплоту Q2. Тогда за весь цикл он получит теплоту Q1 – Q2 , равную совершенной работе А.
Тогда КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно:
КПД = A1/Q1 = (Q1 – Q2)/Q1 . (1)
Можно показать, что Q1/Q2 = T1/T2 (для случая идеального газа).
Соотношение полученного тепла к отданному теплу равно отношению абсолютных температур нагревателя и холодильника.
Тогда КПД = (Q1 – Q2)/Q1 = 1 – Q2/Q1 = 1 – T2/T1 = (T1 – T2)/T1. (2)
Получается, что в случае цикла Карно КПД при превращении тепла в работу зависит только от температуры нагревателя и холодильника (таким образом, процесс не зависит ни от количества используемого газа, ни от начальных значений давления или объема).
Вспомним, что площадь, ограниченная криволинейным четырехугоугольником, изображающим идеальный цикл Карно, равна полной работе, совершаемой газом, а площадь под кривыми (1)-(4) и (4)-(3) - работе, совершенной над газом, т.е. затраченной.
Сущность второго начала термодинамики. Возможность построения машины без холодильника, т.е. с КПД = 1, которая могла бы превращать в работу всю теплоту, заимствованную у теплового резервуара, не противоречит закону сохранения энергии. Такая машина, по сути, была бы аналогична perpetuum mobile (вечному двигателю), так как могла бы производить работу за счет практически неисчерпаемых источников энергии, содержащихся в воде морей, океанов, атмосфере и недрах Земли. Такую машину У. Оствальд (1853-1932) назвал perpetuum mobile II рода ( в отличие от perpetuum mobile I рода – вечного двигателя, производящего работу из ничего). Карно же исходил из невозможности вечного двигателя, опираясь на многочисленные опытные факты и утверждая, что в любом непрерывном процессе превращения теплоты от горячего нагревателя в работу непременно должна происходить отдача тепла холодильнику.
Таким образом, здесь проявляется общее свойство теплоты – уравнивание температурной разницы путем перехода от теплых тел к холодным. Это положение Клаузиус и предложил назвать «Вторым началом механической теории теплоты». Если Первое начало термодинамики утверждает закон сохранения энергии, ее баланс, то Второе начало определяет направления превращения энергии, и если в предыдущей лекции Первому началу была сопоставлена роль «бухгалтера», то Второе начало выступает скорее как «диспетчер», определяющий направление энергетических потоков.
К началу документа
- Концепции современного естествознания Лекция 1. Тема: Введение в дисциплину.
- 1. Естествознание. Определение и содержание понятия. Задачи естествознания
- 2. Взаимосвязь естественных наук. Редукционизм и холизм.
- 3. Фундаментальные и прикладные науки. Технологии
- 4. Тезис о двух культурах.
- Лекция 2. История развития естествознания
- 1. Этапы (стадии) познания природы
- 2. Глобальные естественнонаучные революции
- Роль космологии в естественнонаучных революциях
- Концепции современного естествознания Лекция 3. Методология научных исследований
- 1. Понятие методологии и метода
- 2. Методы научного познания 2.1. Общенаучные методы
- 2. Методы эмпирического и теоретического познания
- 3. Формы научного знания
- 4. Процесс научного познания
- 5. Критерии истинности научного знания
- Лекция 4. Механика и методология Ньютона
- 1. Движение - одна из основных проблем естествознания
- 2. Механика Галилея как основа механики Ньютона
- 3. Механика Ньютона
- 4. Ньютоновская методология исследований
- 5. Оптика Ньютона – предвосхищение современной концепции о двойственной природе света
- Лекция 5. Механическая картина мира (мкм)
- 1. Понятие научной картины мира
- 2. Формирование механической картины мира (мкм)
- 3. Основные понятия и законы мкм
- 4. Основные принципы мкм
- Лекция 6. Термодинамическая картина мира (I)
- 1. Промышленная революция и развитие теории теплоты
- 2. Работа в механике. Закон сохранения и превращения энергии в механике
- 3. Теплородная и кинетическая теория теплоты
- 4. Термодинамика и статистическая физика
- Лекция 7. Термодинамическая картина мира (II). Второе начало термодинамики
- 1. Идеальный цикл Карно.
- 2. Энтропия. Термодинамическая трактовка.
- 3. Энтропия. Вероятностная трактовка.
- Лекция 8. Термодинамическая картина мира (III). Стрела времени
- 1. Вероятность как атрибут больших систем.
- 2. Стрела времени
- 3. Проблема тепловой смерти Вселенной и флуктуационная гипотеза Больцмана.
- Лекция 9. Электромагнитная картина мира (эмкм)
- 1. Основные экспериментальные законы электромагнетизма.
- 2. Теория электромагнитного поля д. Максвелла
- 3. Электронная теория Лоренца.
- Лекция 10. Специальная теория относительности. Основные идеи общей теории относительности
- 1. Проблема равноправия инерциальных систем отсчета и мирового эфира.
- 2. Постулаты и основные следствия сто
- 3. Относительность промежутка времени:
- 3. Основные идеи общей теории относительности.
- 1. Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи.
- 2. Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения.
- 3. Частота света под действием поля тяготения должна смещаться в сторону более низких значений.
- 4. Основные понятия и принципы эмкм
- Лекция 11. Квантово-полевая картина мира (кпкм)
- 1. Формирование идеи квантования физических величин
- 2. Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества.
- 3. Соотношения неопределенностей Гейзенберга
- 4. Основные понятия и принципы кпкм
- Лекция 12. Многообразие и единство мира
- 1. Структурные уровни материи
- 2. Элементарные частицы, фундаментальные частицы и частицы – переносчики фундаментальных взаимодействий
- 3. Атомное ядро
- 4. Молекулы и реакционная способность веществ.
- 5. Макроскопические тела. Фазовые переходы.
- Лекция 13. Мегамир, основные космологические и космогонические представления (I)
- 1. Основные представления о мегамире
- 2. Солнечная система
- 3. Гипотезы о происхождении планет Солнечной системы
- Лекция 14. Мегамир. Основные космогонические представления (II)
- 1. Звезды, их характеристики, источники энергии
- 2. Галактики и метагалактики
- 3. Структура и геометрия Вселенной
- Лекция 15. Мегамир, основные космогонические представления (III)
- 1. Эволюция звезд
- 2. Возникновение Вселенной. Теория Большого Взрыва
- 3. Антропный принцип.
- Лекция 16. Химическая эволюция Земли
- 1. Химическая эволюция Земли
- 2. Понятие самоорганизации в химии.
- 3. Общая теория химической эволюции и биогенеза
- Лекция 17. Специфика живого
- 1. Предмет изучения, задачи и методы биологии
- 2. Специфика и системность живого
- 3.Уровни организации живых систем
- Лекция 18. Термодинамика живых систем. Жизнь как информационный процесс.
- 1. Термодинамика живых систем
- 2.Управление и регулирование в живых системах 2.1 Задачи управления и регулирования
- 2.2 Информационные связи внутри организма
- 2.3 Цели и специфика управления в живых системах
- Лекция 19. Концепция эволюции в биологии
- 1. Эволюционная теория Дарвина – Уоллеса
- 2 Современная (синтетическая) теория эволюции
- Лекция 20. Человек
- 1. Место человека в системе животного мира и антропогенез
- 2. Основные этапы развития человека разумного
- 3. Дифференциация на расы. Расы и этносы
- 4. Эколого-эволюционные возможности человека
- 5. Биосоциальные основы поведения
- Лекция 21. Биосфера и цивилизация
- 1. Биосфера и место человека в биосфере
- 2. Антропогенный фактор и глобальные экологические проблемы
- 3. Негэнтропийный взгляд на экологические проблемы
- Лекция 22. Основные концепции и перспективы биотехнологии
- 1. Микробиология
- 2. Инженерная энзимология
- 3. Перспективы биотехнологии и проблемы биологической безопасности. Биоэтика
- 3.1. Генная и клеточная инженерия
- 3.2. Евгеника
- 3.3. Клонирование
- 3.4. Расшифровка генома человека
- 3.5. Биоэтика
- Контрольные вопросы
- Литература
- Лекция 23. Принципы симметрии в научной картине мира
- 1. Понятие симметрии
- 2. Симметрия пространства – времени и законы сохранения
- 3. Симметрия и асимметрия живого
- 4. Нарушение симметрии как источник самоорганизации
- Лекция 24. Эволюционно-синергетическая парадигма
- 1. Концепция самоорганизации в науке
- 2. Основные понятия и принципы синергетики
- Лекция 25. Эволюционно-синергетическая парадигма (продолжение)
- 1. Примеры самоорганизации в неживой природе
- 2. Самоорганизация в социальных системах
- Лекция 26. Естествознание в мировой культуре
- 1. Проблема двух культур
- 2. Перспективы интеграции знаний в науке будущего
- Рабочая программа по учебной дисциплине "Концепции современного естествознания" для направлений 521500, 521600, 522000, специальностей 060300,060400,060800,0,6100, 061400
- 1. Цели и задачи курса
- 2. Требования к знаниям
- 3. Структура и объем курса
- 4. Содержание дисциплины
- Тема 1. Две культуры как отражение двух типов мышления
- Тема 2. Физика глазами гуманитария. Физические картины мира.
- Тема 3. Физика как целое.
- Тема 4. Жизнь. Биологическая картина мира.
- Тема 5. Биосфера и цивилизация
- Тема 6. Основные концепции и перспективы биологии
- Тема 7. Эволюционно-синергетическая парадигма
- 5. Перечень лабораторных работ (по 4 час.)
- 6. Перечень практических и семинарских занятий
- 7. Расчет часов по темам (для 522000, 061400)
- 8. Методические рекомендации
- 9. Литература
- 4.1 Основная
- 4.2 Дополнительная
- Лабораторная работа №1. Фрактальные структуры в окружающем мире
- 1. Теоретический материал
- 1.1 Фрактальные структуры
- 1.2 Фрактальная размерность
- 1.3. Фрактальные кластеры
- 2. Порядок выполнения работы
- Наверх Лабораторная работа №2. Дискретные модели динамических систем. Клеточные автоматы
- 1. Теоретический материал
- 1.1. Представление сложных динамических процессов в виде дискретных систем
- 1.2. Моделирование процесса роста с помощью клеточного автомата
- 2. Выполнение лабораторной работы