Тема: Необоротність теплових процесів
Що студент повинен освоїти:
Необоротність теплових та інших процесів. Теплові машини. Принцип дії теплових двигунів. Двигун внутрішнього згорання. Парова і газова турбіни. ККД теплового двигуна. Холодильна машина.
Теоретичні відомості
Завдання-плутанка
До процесів, позначених цифрами, доберіть правильні варіанти зміни внутрішньої енергії, роботи, кількості теплоти
а) Ізотермічне стиснення
б) Ізобарне розширення
в) Ізотермічне розширення
г) Ізохорне стиснення
д) Ізобарне стиснення
е) Адіабатне стиснення
ж) Ізохорне розширення
2. Фронтальне опитування
а) Від яких фізичних величин залежить внутрішня енергія тіла?
б) Навести приклади перетворення механічної енергії на внутрішню й навпаки.
в) Сформулюйте перший закон термодинаміки
II. Вивчення нового матеріалу
Перший закон термодинаміки — один із найзагальніших фундаментальних законів природи. Наука не знає жодного процесу, в якому хоча б незначною мірою порушувався цей закон. Якщо якийсь процес заперечується першим законом термодинаміки, то це означає, що він ніколи не відбувається. Проте не всякий процес, який не суперечить першому началу термодинаміки у природі, насправді відбувається.
Створення проблемної ситуації
Досліди:
— Рух кульки, підвищеної на нитці.
— У калориметр із холодною водою опускають гаряче тіло.
— Кульку кидають вертикально вниз.
— Пробивають надуту повітряну кульку.
Запитання для обговорення:
1. Які перетворення енергії тут відбуваються?
2. Чи можливе перетворення енергії у зворотному напрямку?
У першому досліді спостерігаємо оборотний процес, у наступних дослідах — необоротні процеси.
Перший закон термодинаміки не заперечує:
— Передавання теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого.
— Перехід до кульки, що лежить на столі, певної кількості теплоти, внаслідок чого вона піднялася б на деяку висоту.
— Самовільне стиснення газів.
Життєвий досвід показує, що мимоволі такі процеси ніколи не відбувається. Практично всі реальні макроскопічні процеси в природі супроводжуються тертям і теплопровідністю, тому вони необоротні.
Учні самостійно формулюють означення необоротного і оборотного процесів.
Узагальненням великої кількості дослідних факторів є другий закон термодинаміки. Він не має теоретичного вивчення і тому приймається як постулат.
За рахунок внутрішньої енергії газу може бути виконана робота. Ще в XVIII ст. було створено перші теплові двигуни — пристрої, які виконували роботу за рахунок поглинання теплової енергії.
Учень коротко інформує про історію створення перших теплових двигунів та їх використання.
Прийом «Лекція з елементами бесіди»
На прикладі циліндра з газом під поршнем пояснюється рух поршня вгору під час нагрівання газу.
Запитання до учнів у ході викладання матеріалу:
— Що потрібно зробити, щоб поршень знову опуститься вниз?
— Чи може рух поршня бути циклічним?
Обговорюється принципова схема будови та принцип дії теплового двигуна, створюється блок-схема.
А — корисна робота;
Q1 — кількість теплоти, отримана від нагрівника;
Q2 — кількість теплоти, віддана холодильнику;
Т1 — температура нагрівника;
Т2 — температура холодильника.
Тепловими двигунами називаються пристрої, в яких відбувається перетворення теплоти в роботу. Робоче тіло у будь-якому тепловому двигуні послідовно вступає в тепловий контакт з гарячими тілами (нагрівники), отримуючи від них деяку кількість теплоти Q1, і з холодними тілами (холодильники), віддаючи їм кількість теплоти Q2 > Q1, і періодично повертається до первісного стану. Такі процеси називають циклічними або коловими.
Термодинаміка стверджує, що неможливо всю теплоту Q1, отриману в коловому процесі від нагрівників, перетворити в роботу. Згідно із законом збереження енергії робота, яка виконується двигуном, обчислюється за формулою: A = Q1 - Q2.
Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна називають відношення:
Цикл Карно являє собою ідеалізований коловий процес, в якому робоче тіло періодично вступає в тепловий контакт тільки з одним нагрівником (Т1) і одним холодильником (Т2). Цикл Карно складається з двох ізотерм і двох адіабат. Французький інженер Карно довів, що ККД такого ідеального теплового двигуна максимальний при даних значеннях Т1 і Т2 і дорівнює:
Будь-який реальний тепловий двигун, що працює з нагрівником температурою Т1 і холодильником температурою Т2, не може мати ККД, що перевищує ηmах.
Обговорюються питання:
— Як збільшити ККД теплового двигуна?
— Чи можна створити тепловий двигун, який би працював без нагрівника або холодильника?
— Які види теплових двигунів ви знаєте?