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.