В идеальном тепловом двигателе уменьшается полезная мощность

1. Для приготовления ванны вместимостью 200 л смешали холодную воду при 10оС с горячей при 60оС. Какие объемы той и другой воды надо взять, чтобы температура установилась 40оС? Удельная теплоемкость воды 4200 Дж/(кг.С) (80л; 120л)
2. В школьном физическом кружке изучали уравнение теплового баланса. В одном из опытов использовали два калориметра. В первом калориметре находилось 300 г воды, во втором – 200 г льда и 200 г воды при 0оС. Какой была первоначальная температура воды в первом калориметре, если после добавления в него всего содержимого второго в первом калориметре установилась температура 2 оС? Теплоемкостью калориметров пренебречь.
3. Кусок льда, имеющий температуру 0оС, помещенный в калориметр с электронагревателем. Чтобы превратить этот лед в воду при 20 оС, требуется количество теплоты 1000 кДж. Какая температура установится внутри калориметра, если лед получит от нагревателя количество теплоты 75 кДж? Теплоемкостью калориметра и теплообменом с внешней средой пренебречь.
4. В калориметр с водой бросают кусочки тающего льда. В некоторый момент кусочки перестают таять. Первоначальная масса воды в соседе 330 г, а в конце таяния масса воды увеличилась на 84 г. Чему равна начальная температура воды в калориметре? Теплоемкостью калориметра и теплообменом с внешней средой пренебречь. Ответ выразите в оС.
5. В воду массой 1 кг при 20 0С брошен комок мокрого снега массой 250 г. Когда весь снег растаял, установилась равновесное состояние при температуре равной 5 0С. Определите, какова была масса воды в комке снега? Удельная теплота плавления снега 334 кДж/кг, удельная теплоёмкость воды 4,2 кДж/(кг×0С). Теплоёмкостью сосуда и теплообменом с окружающей средой пренебречь. (77 г)
6. Медный брусок, падая с высоты 460 м, имел у поверхности Земли скорость 40 м/с. На сколько повысилась температура бруска, если считать, что вся работа сопротивления воздуха пошла на его нагревание? Удельная теплоемкость меди 380Дж/(кг∙0С). (10К)
7. Два неподвижных одинаковых медных шара получили одинаковую по величине энергию, в результате чего первый шар нагрелся на 8 0С, оставаясь неподвижным, а второй приобрёл определённую скорость, не нагреваясь. Определите скорость второго шара. Удельная теплоёмкость меди 400 Дж/(кг×0С). (80 м/с)
8. В сосуд, содержащий 1,5 кг воды при 15 0С, впускают 200 г пара при 100 0С. Какая общая температура установится после конденсации пара. (890С)
9. При нагревании на спиртовке массы 224 г воды от 15 0С до 75 0С сожгли 5 г спирта. Определить КПД спиртовки. (39%)
10. Двигатель мотороллера «Вятка» развивает мощность 3.31 кВт при скорости 54 км/ч. Какой путь пройдет мотороллер, если у него в бензобаке 3,2 л бензина. КПД двигателя 20%.
11. За цикл, показанный на рисунке, газ получает от нагревателя количество теплоты Qнагр = 5,1 кДж. КПД цикла равен 4/17. Масса газа постоянна. На участке 1-2 газ совершил работу

1. В идеальном тепловом двигателе увеличилась работа, совершаемая за один цикл, при неизменном количестве теплоты, поступающем от нагревателя. Как при этом изменятся коэффициент полезного действия цикла, количество теплоты, отдаваемое за один цикл холодильнику и температура нагревателя? Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличилось 2) уменьшилось 2) не изменилось

1. Температура нагревателя идеального теплового двигателя, работающего по циклу Карно, равна T1, а температура холодильника равна T2. За цикл двигатель получает от нагревателя количество теплоты Q1. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

1. В идеальном тепловом двигателе уменьшилась полезная мощность, при неизменном количестве теплоты, получаемой за один цикл от нагревателя. Как при этом изменятся коэффициент полезного действия цикла, количество теплоты, отдаваемое за один цикл холодильнику и температура холодильника? Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличилось 2) уменьшилось 2) не изменилось

1. Температура нагревателя 227 0С. Определите КПД идеального двигателя и температуру холодильника, если за счет каждого килоджоуля теплоты, полученной от нагревателя, двигатель совершает механическую работу 350 Дж. (35%; 520С)
2. Один моль одноатомного газа совершает цикл, состоящий из двух изохор и двух изобар. При этом максимальное давление в 2 раза больше минимального, а максимальный объём в 3 раза больше минимального. Определите коэффициент полезного действия цикла. (17%)
3. КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно, равен 40%. Как и во сколько раз необходимо изменить количество отведенного холодильнику тепла, чтобы без изменения количества подводимого тепла КПД возросло до 70%. (уменьшить в 2 раза)
4. С одним молем иде­аль­но­го од­но­атом­но­го газа со­вер­ша­ют цик­ли­че­ский про­цесс 1—2—3—4—1 (см. рис.). Во сколь­ко раз n КПД дан­но­го цикла мень­ше, чем КПД иде­аль­ной теп­ло­вой ма­ши­ны, ра­бо­та­ю­щей при тех же мак­си­маль­ной и ми­ни­маль­ной тем­пе­ра­ту­рах? (12)

Читайте также:

Рекомендуемые страницы:

©2015-2021 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-27
Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных

Поиск по сайту:

Естествознание, 11 класс

Урок 8. Законы термодинамики и КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

• Чем ограничен КПД теплового двигателя.
• Что такое идеальный тепловой двигатель.
• Как вычислить КПД идеальной тепловой машины.

Аддитивность энтропии – энтропия системы равна сумме энтропий её частей.

Адиабата (адиабатный процесс) – это процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой

КПД теплового двигателя – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Вечный двигатель второго рода – это воображаемое неограниченно долго действующее устройство, позволяющее получать большее количество полезной работы, чем количество сообщённой ему извне энергии.

Идеальный тепловой двигатель – это такой двигатель, в котором все процессы могут быть проведены обратимым образом и так, что в каждый момент его состояние являлось бы равновесным.

Изотерма (изотермический процесс) – это процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянной температуре.

Тепловой двигатель – это тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры.

Энтропия – приведённое количество тепла, отнесённое к абсолютной температуре.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1.Естествознание. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., – М.: Просвещение, 2017.: с 53 -58.

2. Элементарный учебник физики под редакцией академика Г.С. Ландсберга. Том 2. Электричество и магнетизм.–12-е изд. – М.:ФИЗМАТЛИТ, 2001. – 480 с.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Человек в своей повседневной жизни очень часто встречается с физическими явлениями и законами. Неограниченными являются запасы внутренней энергии, которая находится в океанах и земной коре. Человек должен уметь использовать данную энергию, а именно за счёт энергии приводить в действия такие устройства, которые способны совершать работу.

Такие устройства принято называть тепловыми двигателями, которые способны превращать энергию в механическую энергию.

Ещё в III веке до нашей эры, Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара.

Общие черты тепловых двигателей:

1) энергия топлива → механическая энергия.

Происходит превращение во внутреннюю энергию газа или пара, котрые нагреты до высокой температуры.

2) Необходимо наличие двух тел, которые обладают разными температурами (нагреватель и холодильник), а также рабочее тело (пар или газ).

При работе теплового двигателя рабочее тело забирает у нагревателя теплоту Q1 и превращает часть её в механическую энергию А, а ту часть теплоты, которая не перешла в энергию Q2 передает холодильнику. По закону сохранения и превращения энергии A=Q1-Q2

Необходимые условия для работы теплового двигателя:

Нагреватель;

Рабочее тело,

Холодильник.

Виды тепловых двигателей

Основной характеристикой тепловых двигателей является КПД, которое подчиняется первому и второму закону термодинамики (передача тепла происходит от более нагретого тела к менее нагретому).

Коэффициентом полезного действия – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя. КПД выражают в процентах:

Qн – теплота, полученная от нагревателя, Дж

Qх – теплота, отданная холодильнику, Дж

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то Т<l.

КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При Т1- Т2 = О двигатель не может работать.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т1 и холодильником с температурой Т2.

Второй закон термодинамики – невозможно передать тепло от более холодного тела к более горячему так, чтобы в окружающей тела системе ничего не изменилось Данный закон запрещает существование вечного двигателя второго рода.

Рассмотрим схему работы теплового двигателя, предположив, что изображённая система замкнута.

Вычислим изменение энтропии всей системы за один цикл пользуясь свойствами энтропии:

– аддитивность энтропии

– энтропия является постоянной функцией

Получим уравнение суммарного изменения энтропии всей системы:

Третий закон термодинамики – невозможен процесс, в результате которого тело могло бы быть охлаждено до температуры абсолютного нуля.

В 19 веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади рассмотрел гипотетический тепловой двигатель, соответствующий которому цикл, состоит из двух адиабат и двух изотерм. Впоследствии этот цикл был назван циклом Карно. Особенностью цикла Карно является то, что в отличие от других термодинамических циклов он может быть проведен обратимым образом. Это свойство обеспечивает максимальное значение КПД цикла Карно по отношению к другим циклам, работающим с тем же нагревателем и холодильником. Соответствующий тепловой двигатель был назван «идеальным тепловым двигателем». КПД такой идеальной машины может быть выражен следующим образом:

Тн – термодинамическая температура нагревателя, К

Тх – термодинамическая температура холодильника, К.

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Тн, и холодильником с температурой Тх, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Идеальный тепловой двигатель – это такой двигатель, в котором все процессы могут быть проведены обратимым образом и так, что в каждый момент его состояние являлось бы равновесным.

Современный мир не может обойтись без тепловых двигателей, так как благодаря им человечество имеет:

дешёвую электроэнергию;

двигатели для скоростного транспорта;

используются на тепловых электростанциях, приводят в движение роторы генераторов электрического тока;

установлены на всех АЭС для получения пара высокой температуры;

основные виды современного транспорта (на автомобильном- поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном- двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на ж/д- тепловозы с дизельными установками; в авиации- поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели).

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Непрерывное развитие энергетики, развитие транспорта, возрастание потребления угля, нефти, газа в промышленности и на бытовые нужды приводит к тому, что количество ежегодно сжигаемого в тепловых двигателях химического топлива возрастает, что и приводит к сложной проблеме – охрана природы от вредного влияния продуктов сгорания.

При сжигании топлива происходит следующее:

1. используется кислород из атмосферы, а следовательно содержание кислорода в воздухе постоянно уменьшается.
2. выделение в атмосферу углекислого газа, что приводит к парниковому эффекту.
3. загрязнение атмосферы азотными и серными соединениями, которые оказывают вред флоре, фауне и здоровью человека.
4. проблема захоронения радиоактивных отходов атомных станций.

Для охраны окружающей среды необходимо обеспечить:

1. эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов;
2. использование качественного топлива и создания условий для полного его сгорания;
3. повышение КПД тепловых двигателей за счет уменьшения потерь на трение и полного сгорания топлива и др.

В настоящее время рассматривается использование водорода в качестве горючего, так как при сгорании водорода образуется вода, также проводятся исследования по созданию электромобилей, которые в скором времени будут способны заменить автомобили с бензиновым двигателем.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Тепловой двигатель за один цикл получает от нагревателя 100 кДж теплоты и отдает холодильнику 60 кДж. Чему равен КПД этого двигателя (%)?

а)60

б) 67

в) 40

г) 25

Ответ: B.

Задание 2. Расположите в хронологическом порядке появление тепловых двигателей:

Варианты ответов:

1. Дж. Уатт

2.Т. Севери

3. И. Ползунов

4. Д. Папен

Правильные варианты:

1.1698 год Т. Севери

2.1707 годД. Папен

3.1763 год И. Ползунов

4. 1774 год Дж. Уатт