Рефераты и конспекты лекций по географии, физике, химии, истории, биологии. Универсальная подготовка к ЕГЭ, ГИА, ЗНО и ДПА!

Физика — рефераты, конспекты, шпаргалки, лекции, семинары

Второй закон термодинамики. КПД тепловых машин

Утверждение, выражаемое записью, есть одна из формулировок II закона термодинамики. Другие формулировки II закона термодинамики (классические) читаются так: Невозможен двигатель, который периодически забирал бы из одного теплового резервуара некоторое количество тепла и полностью превращал бы его в работу без каких-либо изменений в окружающих телах (формулировка Томсона-Кельвина).

Невозможен самопроизвольный переход тепла от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой без каких-либо изменений в окружающих телах (формулировка Клаузиуса). Тепловой двигатель, упомянутый в формулировке Томсона-Кельвина, называют вечным двигателем II рода. Невозможен вечный двигатель II ро-да – это уже формулировка Планка.

Все приведённые формулировки равносильны. В своё время формулировки II закона термодинамики появились в связи с вопросом о к.п.д. тепловых машин. В тепловых машинах система периодически должна совершать работу над внешними телами. Это значит, что система периодически должна возвращаться в начальное состояние 1, причём возвращаться иным путём, нежели при удалении из состояния 1 (чтобы работа над системой при возвращении её была меньше работы системы над внешними телами при удалении её из состояния 1). То есть система совершает замкнутый процесс – цикл.

За цикл совершается в целом положительная работа A, которая численно равна площади фигуры цикла. Это ясно видно, если используется диаграмма V – p. На какой- то части цикла система получает тепло Q1 от одних внешних тел – нагревателя. На другой части цикла система отдаёт некоторое количество тепла Q2. Как можно убедиться с помощью формулировок II закона, получать тепло от системы должны уже другие тела – холодильник. По I закону термодинамики для цикла Q = Q1 — Q2 = A, так как изменение внутренней энергии за цикл равно нулю. Работа A считается полезной величиной, теплота нагревателя Q1 считается затратами. К.п.д. цикла (т.е. к.п.д. тепловой машины). Как II закон термодинамики помогает делать суждения о к.п.д. тепловой машины при конкретных холодильнике и нагревателе и как «перекликаются» между собой разные формулировки II закона термодинамики, разберём всё это на следующем примере.

Пусть имеются два массивных тела с температурами T1 и T2

worldofscience.ru

Закон тепловой машины

Простейшее устройство, способное превращать теплоту в работу, может быть реализовано в циклическом процессе в идеальном газе. В этом случае dU = 0 и полная работа, совершенная системой за цикл и определяемая заштрихованной площадью на диаграмме, равна количеству теплоты, поступившему в систему:

Таким образом, в замкнутом цикле осуществляется превращение количества теплоты в работу.

Тепловой машиной называется устройство, способное многократно совершать работу за счет поглощения количества теплоты от внешнего источника, т.е. многократно превращать количество теплоты в работу.

Рассмотрим схему тепловой машины. Количество теплоты Qнагр поступает в рабочий объем из резервуара, имеющего температуру Oнагр. В результате циклического процесса, происходящего с рабочим телом, часть количества теплоты превращается в работу

А=Qнагр-|Qхолод|, а другая часть Qхолод передается холодильнику, находящемуся при температуре Oхолод.

Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины

Холодильные машины

Холодильная машина — циклическая тепловая машина, предназначенная для отъема количества теплоты и понижения температуры рабочего объема. Это происходит за счет работы, совершаемой внешним источником над рабочим телом.

Рассмотрим схему холодильной машины. Количество теплоты Qхолод поступает в систему от рабочей камеры холодильника, находящейся при низкой температуре Oхолод. Внешний источник совершает над рабочим телом работу А (по соглашению о знаках работа А g = pVV g-1 = nRTV g-1 . Так как уравнение адиабаты есть pV g = const, то отсюда и из предыдущего равенства вытекает, что для адиабатического процесса TV g-1 = const (это альтернативная форма записи уравнения адиабатического процесса).

Если поделить одно равенство на другое, получается искомый результат: V2/V1 = V3/V4. Таким образом, логарифмы в выражении для КПД сокращаются и

www.pipec8.narod.ru

Справочник химика 21

Химия и химическая технология

Тепловая машина законы действия

Второй закон термодинамики возник на основе изучения принципов действия тепловых машин, назначение которых состоит в превращении теплоты в работу. Основоположником здесь является французский военный инженер С. Карно, опубликовавший в 1824 г. небольшую популярную книгу Размышления о движущей силе огня . [c.67]

Результаты, получаемые с помощью цикла Карно, используют при формулировке 2-го закона термодинамики и составления выражения для расчета коэффициента полезного действия работы тепловых машин. Доля полезной работы, которую может производить за один цикл тепловая машина, определяется по уравнению [c.61]

В изложенных выше рассуждениях и выводах, имевших исходным пунктом второй закон термодинамики в формулировке Клаузиуса (или В. Томсона), основное внимание уделялось коэффициенту полезного действия тепловых машин, т. е. вопросу, имеющему, казалось бы, с точки зрения теории частный и узкий характер (хотя и очень важному для практики). Между тем результатом всех рассуждений явился вывод очень широкого, хотя не всеобъемлющего за кона природы, который правильнее всего назвать законом существования функции состояния энтропии и ее возрастания при самопроизвольных необратимых процессах. (Ряд исследователей видят здесь два отдельных, независимых положения.) [c.109]

Процессы, которые в природе протекают сами собой, называются самопроизвольными или естественными. Процессы, которые требуют для своего протекания затраты энергии, называются несамопроизвольными. В изолированной системе, ввиду отсутствия внешнего воздействия, могут протекать только самопроизвольные процессы. Протекание таких процессов завершается равновесным состоянием, из которого сама система без сообщения ей энергии извне выйти уже не сможет. Определение условий, при которых будет протекать самопроизвольный процесс, и условий, при которых наступает состояние равновесия в системе, представляет большой теоретический и практический интерес. Но основании первого закона термодинамики нельзя сделать каких-либо выводов о направлении процесса и состоянии равновесия. Для выяснения этих вопросов используется второй закон термодинамики. Второй закон термодинамики, как и первый, — результат обобщения человеческого опыта и является одним из фундаментальных законов природы. Он был установлен в результате исследования коэффициента полезного действия тепловых машин. [c.218]

Цикл, рассмотренный в начале 4, представляет собой принцип работы любой тепловой машины и дает максимальный, т. е., согласно второму закону, наибольший из вообще возможных, коэффициент полезного действия -ц, который [c.28]

Существует ряд причин, почему второе начало термодинамики относят к наиболее трудным для изучения законам физики. Первая нз них состоит в том, что второе начало необходимо было сначала открыть и сформулировать в виде некоторого суждения (постулата) о свойствах тепловых машин, следствием которого явился вывод о существовании новой функции состояния — энтропии S. В качестве такого постулата выступает, например, утверждение невозможно построить периодически действующую машину, производящую работу за счет теплоты наименее нагретых тел системы . Однако в этой формулировке нет ни слова об энтропии. В отличие от большинства законов теоретической физики фактическое содержание второго начала термодинамики — введение в обиход науки новой функции состояния S — отделено от исходного постулата достаточно длинной цепью логических построений, а из самого постулата совершенно не очевидно указанное выше утверждение. Кроме того, можно привести ряд внешне совсем несхожих утверждений, которые с равным основанием могут считаться формулировками второго начала. [c.37]

Истоки этого закона лежат в теории коэффициента полезного действия (к. п. д.) тепловых машин. Тепловой машиной называется циклический процесс, при котором тепло забирается от горячего резервуара, часть его поглош ается холодным резервуаром, а часть превраш ается в работу. Неравенство (5.138) вытекает из того факта, что к. п. д. г) (полученная работа/отобранное от горячего резервуара тепло) для любой такой тепловой машины ограничен сверху согласна неравенству [c.310]

Существует ряд причин, почему второе начало термодинамики относится к числу наиболее трудных для изучения законов физики. Одна из них состоит в том, что второе начало было впервые сформулировано в виде некоторого суждения (постулата) о свойствах тепловых машин, следствием которого явился вывод о существовании новой функции состояния — энтропии 5, которая определяется из уравнения (1,21) и в явлениях теплообмена играет такую же роль, как объем системы V при рассмотрении работы расширения. В качестве такого постулата выступает, например, утверждение невозможно построить периодически действующую машину, работающую за счет переноса теплоты от менее нагретых тел к более нагретым . В отличие от большинства основных законов физики фактическое содержание второго начала — существование функции состояния энтропии 5 — отделено от исходного постулата длинной цепью логических построений, а из самого постулата далеко не ясен его физический смысл. Этим же объясняется то, что можно привести ряд внешне совсем не схожих утверждений, которые с равным ос- [c.20]

Принцип эквивалентности, однако, не единственный общий закон для всех материальных систем, который определял бы действие тепловой машины. По Карно, для производства работы тепловой машиной необходим переход теплоты от источника более высокой температуры к источнику более низкой температуры. Это второй общий для всех систем закон. [c.147]

Законы, которым подчиняется действие тепловых машин, одновременно являются и общими термодинамическими законами. [c.167]

Термодинамика непосредственно развилась из изобретения, применения и улучшения тепловых машин [21]. Законы, которы.м подчиняется действие этих машин, одновременно являются и общими термодинамическими законами. [c.163]

Таким образом, результаты исследования тепловых машин, проводимые Карно, вышли далеко за пределы только анализа действия этих машин, но оказались также основополагающими для развития термодинамики и установления ее второго закона. [c.58]

Второй закон термодинамики возник на основе изучения принципов действия тепловых машин, назначение которых состоит в превращении теплоты Б работу. Основоположником здесь является французский [c.76]

Формулируется второй закон термодинамики в форме утверждения, относящегося к работе тепловых машин, например, в виде формулировки В. Томсона. Это дает возможность доказать теорему Карно—Клаузиуса о равенстве коэффициентов полезного действия для всех машин, работающих по обратимому циклу Карно [c.27]

Для отдельных частных и конкретных случаев формулировка второго закона термодинамики принимает несколько иной вид. Так, например, в применении к тепловым двигателям этот закон гласит невозможна никакая периодически действующая машина, которая бы беспредельно совершала работу за счет отнятия теплоты от одного и того же источника тепла без пополнения его тепловой энергией. [c.209]

Формулировка второго закона. Существует несколько разных, но вполне эквивалентных формулировок теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому (Клаузиус) невозможна периодически действующая машина, единственным результатом действия которой было бы получение работы за счет отнятия теплоты от теплового резервуара (Кельвин-Планк) вечный двигатель второго рода невозможен. [c.652]

Машины, в которых осуществляется обратный круговой процесс, могут служить не только для искусственного охлаждения, но также и для отопления, называемого в этом случае динамическим. Машина, обеспечивающая отопление с помощью обратного кругового процесса, называется тепловым насосом. Принципиальная схема работы теплового насоса показана на рис. 1, б. В нем происходит перенос тепла от окружающей среды с температурой Т к нагреваемой среде с более высокой температурой Т . Для такого переноса тепла, как и в холодильных машинах, согласно второму закону термодинамики, затрачивается механическая работа. Таким образом, действие холодильной машины и теплового насоса отличается только положением интервала температур. [c.7]

В связи с первым законом термодинамики мы пришли к понятию внутренней энергии, которая является функцией состояния. В 3 было показано, что изменение внутренней энергии можно измерить, так как оно равно количеству поглощенной теплоты или количеству совершенной работы при соответствующих условиях. Но первый закон не дает никаких указаний относительно направления самопроизвольно идущих процессов. Для того чтобы установить критерий, позволяющий решать, в каком направлении может идти самопроизвольное превращение системы, мы должны обратиться ко второму закону термодинамики, который, как и первый закон, является обобщением опыта человечества. Второй закон не может быть выведен теоретически и принимается как постулат. Имеется несколько формулировок второго закона термодинамики. Так, Клаузиус (1850 г.) ввел в термодинамику следующий постулат теплота не может сама собой переходить от холодного тела к горячему . Формулировка Планка гласит невозможно построить периодически действующую машину, вся деятельность которой сводится к поднятию тяжести и охлаждению теплового резервуара . Иными словами, Планк утверждает, что теплота не может самопроизвольно переходить в работу без каких-либо других изменений в системе. Эта мысль кроется и в постулате Клаузиуса, так как при самопроизвольном пе- [c.40]

После ознакомления со следствиями, вытекаюш,ими из принципа эквивалентности, читатели подготовлены к тому, что открытие нового закона, которому подчиняются действия тепловых (холодильных) машин, т. е. открытие нового закона для круговых термодинамических процессов, может повлечь за собой обнаружение нового свойства системы [c.140]

С точки зрения первого закона нет никаких препятствий тому, чтобы весь тепловой эффект реакции, например, горения угля был превращен паровой машиной в работу, лишь бы был соблюден. механический эквивалент тепла. Но опыт учит, что лишь некоторая доля энергии Q, сообщенной паровой или другой машине через теплопередачу, может перейти в работу А. Их отношение т) = А/Q — коэффициент полезного действия машины — иногда не превышает нескольких процентов и даже доли процента. [c.210]

Другая формулировка второго закона, имеющая важное значение для практики, предложена Кельвином (1851) и развита, Планком (1891) невозможна периодически действующая ма- шина (вечный двигатель второго рода), единственным результатом действия которой было бы получение работы за счет отнятия теплоты от теплового резервуара. Лоястш смысл этого утверждения. Переход теплоты в работу возможен, и он происходит в любой тепловой машине. Однако он не может быть единственным результатом ее работы, а непременно сопровождается неустранимыми последствиями, которые мешают такой машине стать периодической (длительно действующей). В любой теплое вой машине превращение теплоты нагревателя (например, парового котла) в работу компенсируется одновременным необратимым переходом части теплоты к холодильнику. Эта часть теплоты не может быть использована для получения работы. Таким образом, не может быть длительно действующих тепловых машин с полным превращением теплоты в работу. [c.95]

Следует отметить, что, как показывает содержание предыдущего параграфа, критерий направления процессов и постулат о существовании и возрастании энтропии в основных важнейших чертах вытекают из молекулярно-статистических соображений. Поэтому (а также на основании изложенного выше) не следует считать проблему аксиоматики второго закона термодинамики (т. е. проблему формулировки его в совершенно общей форме в пределах члсто термодинамического метода и оторванно от методов и нoJЮжeний статистической физики) существенной научной проблемой. Учитывая это, лишь кратко остановимся на одном виде аксиоматики второго закона термодинамики, предложенной в близких формах Шиллером (Киев, 1895) и Каратеодори (1911). Их аксиоматика не связана с тепловыми машинами и коэффициентом полезного действия последних. [c.109]

В этой схеме представлена совокупность само- и несамопроизвольных процессов. Для отделения самопроизвольных процессов от несамонроизвольных был сформулирован 2-ой закон термодинамики. Впервые его сформулировали для объяснения причины получения работы с помощью тепловой машины и с целью определения эффективности их работы на основе коэффициента полезного действия — КПД. [c.86]

Одна из важнейших областей приложения второго закона термодинамики— анализ действия устройств, предназначенных для преобразования и передачи энергии тепловых машин, холодильных установок, нагревателей, теплообменников и т. п. Основной технической характеристикой таких устройств является коэффициент полезного действия ц, определяемый как отношение значения полученной (переданной) энергии Е оя к значению использованной (затраченной) энергии Езагр [c.71]

Тепловая машина способствовала возникновению и сомнительных идей. Так, в новой форме возродилась идея создания вечного двигателя (perpetuum mobile), основанная на использовании тепловой энергии окружающей среды (вод океана, атмосферы и недр земли) в целях производства механической работы. Энергия вышеперечисленных тел огромна, так что подобный двигатель, не противореча закону сохранения энергии, должен действовать практически бесконечно долго, поскольку использует он бесконечно большую энергию природы и не вызывает при этом никаких возмущений в ней. Подобный двигатель назван вечным двигателем второго рода. [c.88]

Формулировки второго закона Р. Клаузиуса и Кельвина—Карно эквивалентны. Представим себе еще раз два тепловых резервуара с температурами Т] > связанное с ними устройство анти-Клау-зиус (рис. П1.6), которое предположительно забирает у холодильника Га теплоту Qj и полностью отдаст ее нагревателю Tj. С этими же тепловыми резервуарами связана возможная с точки зрения второго закона тепловая машина. Она подобрана так, что, забирая у нагревателя теплоту Qi, отдает холодильнику количество теплоты Q. , взятое у него устройством анти-Клаузиус . Таким образом, холодильник вернулся в исходное состояние, а результатом действия всего устрой- [c.69]

Повторим теперь тот путь, по которому в физике была введена функция состояния 5. Сначала формулируется второй закон термодинамики в форме утверждения, относящегося к свойствам тепловых машин, например, в виде формулировки В. Томсона. Это дает возможность доказать теорему Карно—Клаузиуса о равенстве коэффициентов полезного действия для всех машин, работающих по обратимому циклу Карно, независимо от природы рабочего тела и универсальности уравнения (1.33 ). В свою очередь отсюда удается показать, что для цикла Карно при использовании любого рабочего тела выполняется уравнение Клаузиуса (1.33). Как математическое следствие это означает, что йСЦТ обладает свойствами шэл- [c.46]

Следствием установленных С. Карно, Р. Клаузиуса и Томсона (Кельвина) положений второго закона термодинамики явилась еще одна его формулировка применительно к тепловым машинам невозможно осуществить perpetuan mobile второго рода, или другими словами нельзя осуществить такой двигатель, все действие которого сводилось бы к превращению тепла, подводимого к какому-нибудь телу, в работу без того, чтобы часть его передавалась другим телам. [c.58]

Формулировки второго закона Р. Клаузиуса и Кельвина — Карно эквивалентны. Представим себе еще раз два тепловых резервуара с температурами Т1> Т , и связанное с ними устройство анти-Клаузиуса (рис. 34), которое предположительно забирает у холодильника Гг, теплоту Qz и полностью отдает ее нагревателю Г . С этими же тепловыми резервуарами связана возможная с точки зрения второго закона тепловая машина. Она подобрана так, что, забирая у нагревателя теплоту ( 1, отдает холодильнику количество теплоты Qz, взятое у него устройством анти-Клаузиус . Таким образом, холодильник вернулся в исходное состояние, а результатом действия устройства в целом стало превращение в работу всего количества теплоты — Сг, забранного у нагревателя. Это противоречит формулировке Кельвина — Карно. Классическая термодинамика развития во второй половине XIX в., строилась именно на приведенных формулировках второго закона. Однако, как выяснилось, для построения всей завершенной системы термодинамики одних этих постулатов недостаточно. Необходимо было прибегать к дополнительным физическим образам, не всегда полностью физически реальным. Например, к представлению об идеальном газе. Необходимы были и дополнительные постулативные утверждения. [c.79]

II закон термодинамики. Невозможен процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты в работу невозможно создать машину, все действие которой сводилось бы к производству работы и соответствующему охлаждению теплового источника, иначе говоря, перпетуум-мобиле второго рода невозможен. ЦиклКарно [c.509]

Смотреть страницы где упоминается термин Тепловая машина законы действия: [c.219] [c.219] [c.219] [c.75] [c.143] [c.103] [c.104] [c.104] [c.10] [c.40] Понятия и основы термодинамики (1970) — [ c.167 ]

chem21.info

Закон тепловой машины

Электронная библиотека

Второй закон термодинамики. Тепловые машины Структура тепловых машин. Простейшее устройство, способное превращать теплоту в работу, может быть реализовано в циклическом процессе в идеальном газе. В этом случае DU = 0 и полная работа, совершенная системой за цикл, равна количеству теплоты, поступившему в систему: A = Q. Таким образом, в замкнутом цикле осуществляется превращение количества теплоты в работу.

Тепловой машиной называется устройство, способное многократно совершать работу за счет поглощения количества теплоты от внешнего источника, т.е. многократно превращать количество теплоты в работу.

Рассмотрим схему тепловой машины. Количество теплоты Qнагр поступает в рабочий объем из резервуара, имеющего температуру Oнагр. В результате циклического процесса, происходящего с рабочим телом, часть количества теплоты превращается в работу А=Qнагр-|Qхолод|, а другая часть Qхолод передается холодильнику, находящемуся при температуре Oхолод.

Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины.

(7.1)

Холодильные машины. Холодильная машина — циклическая тепловая машина, предназначенная для отъема количества теплоты и понижения температуры рабочего объема. Это происходит за счет работы, совершаемой внешним источником над рабочим телом.

Характеристикой эффективности холодильника является параметр Qхолод/|А|, представляющий отношение количества теплоты, извлеченной из рабочей камеры, к затраченной на этот процесс работе.

Второй закон (второе начало) термодинамики. При анализе работы тепловых машин возникает естественный вопрос: существует ли теоретический предел увеличения эффективности работы тепловых машин?

Если да, то какими законами этот предел регулируется?

Как следует из выражения для КПД тепловой машины, максимум этого выражения достигается при |Qхолод| = 0. Словами это означает, что все поступившее в систему количество теплоты переходит в работу, а рабочее тело после каждого цикла возвращается в исходное состояние. Аналогично параметр эффективности холодильной машины стремится формально к бесконечности, если |А| (r) 0. Это означает, что количество теплоты, перешедшей в окружающую среду, равно количеству теплоты, извлеченной из рабочего тела холодильника, но при этом никаких других изменений в окружающей среде не произошло.

Многочисленные попытки сконструировать тепловые машины с КПД, приближающимся к 100%, оказались безуспешными, хотя на первый взгляд они не противоречили известным законам, в том числе первому закону термодинамики (закону сохранения энергии). К середине XIX в. отрицательный результат был сформулирован в виде второго закона термодинамики.

Второй закон термодинамики (формулировка У. Кельвина и М. Планка): Не существует циклического процесса, который извлекает количество теплоты из резервуара при определенной температуре и полностью превращает эту теплоту в работу.

Второй закон термодинамики (формулировка Р. Клаузиуса): Не существует процесса, единственным результатом которого является передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.

www.edurt.ru

Тепловые машины; первый закон»

До сих пор мы рассматривали свойства вещества с атомной точки зрения, причем мы пытались, хотя бы в общих чертах, понять, что произойдет, если принять, что вещество состоит из атомов, подчиняющихся тем или иным законам. Однако вещество обладает и такими свойствами, которые можно понять, не изучая подробно его строения. Поисками соотношений между различными свойствами вещества, не углубляясь в изучение внутреннего его строения, занимается термодинамика. Исторически термодинамика стала наукой еще до того, как более или менее точно узнали о внутреннем строении вещества.

Приведем пример: согласно кинетической теории, давление газа вызывается молекулярной бомбардировкой, и нам известно, что при нагревании газа бомбардировка усиливается и давление должно повыситься. И наоборот, если внутрь ящика с газом вдвигается поршень, преодолевающий сопротивление бомбардирующих его молекул, то энергия этих молекул возрастает, а соответственно повышается и температура. Итак, повышая температуру внутри заданного объема, мы увеличиваем давление. Если же мы сжимаем газ, то повышается его температура. Используя кинетическую теорию, можно найти количественные соотношения между этими двумя эффектами, однако каждому понятно, что между давлением и температурой обязательно должна существовать некоторая связь, не зависящая от деталей столкновений.

Рассмотрим еще один пример. Многим, наверное, известно интересное свойство резины — если растянуть ее, она нагреется. Если вы зажмете губами резиновую полоску и, потянув рукой, растянете ее, то отчетливо почувствуете, что она нагрелась. Это нагревание обратимо, т. е. если вы, продолжая держать полоску губами, быстро отпустите ее, то возникнет столь же отчетливое ощущение холода. Это означает, что при растяжении резина нагревается, а при ослаблении натяжения она охлаждается. Наш инстинкт может нам подсказать, что нагретая резина тянет лучше: если растяжение нагревает резину, то нагревание заставит ее сжаться. Действительно, если поднести к растягиваемой грузиком резиновой полоске газовую горелку, то мы заметим, что полоска резко сократится (фиг. 44.1). Таким образом, при нагревании натяжение в резине возрастет, и это вполне согласуется с тем, что при уменьшении натяжения она остывает.

Скрытые в резине механизмы, управляющие этими эффектами, очень сложны. Мы опишем их с молекулярной точки зрения, хотя главная задача этой главы —научиться понимать связь между такими эффектами независимо от молекулярной модели. Тем не менее, именно исходя из молекулярной модели, мы можем показать, что оба эти явления тесно связаны. Поведение резины можно объяснить так. Представьте себе, что резина, по существу, огромный клубок, состоящий из очень длинных молекул, что-то вроде «молекулярных макарон», но с небольшим дополнительным усложнением: между этими молекулярными цепочками имеются соединительные цепочки. Таким образом, моделью куска резины могут служить слипшиеся во время варки макароны, образующие огромный ком. Когда мы растягиваем такой клубок, некоторые молекулярные цепи стремятся вытянуться в линию вдоль направления растяжения. В то же время все цепи участвуют в тепловом движении и непрерывно сталкиваются друг с другом. Поэтому такая цепь, когда ее растягивают, не остается в натянутом виде, так как об нее ударяют со всех сторон другие цепи и другие молекулы, и она будет вынуждена запутаться снова. Поэтому истинная причина того, почему резина все время стремится сократиться, заключается в следующем: при растяжении цепи действительно вытягиваются вдоль одной линии, но тепловые движения цепей стремятся запутать их снова и сократить их длину. Поэтому если растянуть цепи и увеличить температуру, то усилится и бомбардировка цепей, что приведет к увеличению натяжения. Этим объясняется способность нагретой резины поднять более тяжелый груз. Если растянутую в течение некоторого времени резину отпустить, то каждая цепь становится мягче, ударяющиеся о расслабленные цепи молекулы теряют энергию, и температура падает.

Итак, мы видели, как кинетическая теория устанавливает связь между сокращением при нагревании и остыванием при расслаблении, но было бы чересчур сложно пытаться вывести методами кинетической теории точные соотношения между этими эффектами. Нам пришлось бы для этого выяснить, сколько столкновений происходит ежесекундно и как выглядят молекулярные цепи. И вообще всех трудностей просто не перечислить. Детали механизма столь сложны, что кинетическая теория не в состоянии описать в точности все происходящее. Однако можно вывести некоторые соотношения между этими эффектами, практически ничего не зная о внутреннем механизме!

Вся термодинамика сводится примерно к таким рассуждениям: раз резина при высокой температуре «сильнее», чем при низкой, то с помощью тепла можно совершать самые разнообразные работы, скажем подымать грузы и передвигать их на новое место. И действительно, мы уже убедились, что нагретая резина способна поднимать тяжести. С изучения возможности использования тепла для совершения работы и начинается термодинамика. Можно ли построить машину, в которой используются тепловые свойства резины? Да, только выглядеть она будет глуповато. Для этого можно немного усовершенствовать велосипедное колесо, вставив туда резиновые спицы (фиг. 44.2). Если с помощью двух ламп накаливания нагреть резину на одной стороне колеса, то она станет «сильнее», чем ненагретая резина на другой стороне. Центр тяжести колеса сдвинется и отойдет от точки опоры. Колесо повернется. После поворота холодные резиновые спицы пододвинутся поближе к теплу, а нагретые уступят им свое теплое место и остынут. И колесо будет медленно вращаться, пока будут гореть лампы. Коэффициент полезного действия такой машины чрезвычайно мал. Для вращения колеса едва хватает содержащейся в двух лампах мощности около 400 вт, а способно оно поднять лишь блоху! Однако тут же возникает интересный вопрос: нельзя ли более эффективно перевести тепло в работу?

Собственно говоря, термодинамика ведет свое начало с работ знаменитого инженера Сади Карно, который желал построить наилучшую и наиболее экономичную машину. Это один из немногих замечательных случаев, когда инженер заложил основы физической теории. На память приходит еще один пример, но уже сравнительно недавний — это анализ теории информации, сделанный Клодом Шенноном. Кстати, эти вопросы тесно связаны.

В паровой машине тепло используется для кипячения воды. Образующийся пар, расширяясь, толкает поршень, а поршень крутит маховик. Итак, пар вытолкнул поршень до отказа — что дальше? Эта порция пара свою работу выполнила, однако самое неразумное было бы закончить цикл выпуском пара в атмосферу, тогда к паровому котлу придется вновь подводить воду. Дешевле, а значит, и эффективнее отводить пар в другой сосуд, где он будет конденсироваться холодной водой, и образующуюся при этом воду можно будет снова вернуть в паровой котел, обеспечив непрерывную циркуляцию. Таким образом, паровая машина поглощает тепло и превращает его в работу. А может быть, лучше залить котел спиртом? Какими свойствами должно обладать вещество, чтобы обеспечить наилучшую работу машины? Этот вопрос задавал себе Карно и, размышляя таким образом, как мы уже сказали, попутно открыл соотношение очень общего типа.

Все результаты термодинамики содержатся в нескольких предельно простых утверждениях, называемых законами термодинамики. Во времена Карно первый закон термодинамики — закон сохранения энергии — был еще не известен. Однако аргументы были сформулированы Карно так точно, что они оказались правильными, хотя первый закон тогда не был еще открыт! Немного позже Клаузиус привел более простой вывод, который понять оказалось легче, чем очень тонкие рассуждения Карно. Но Клаузиус исходил из предположения, что сохраняется не полная энергия, а теплота; так считала в то время калорическая теория, которая впоследствии была вообще отвергнута как неверная. Поэтому часто говорят, что аргументы Карно были ложными. На самом же деле логика Карно безукоризненна. Неверно только упрощенное толкование этих аргументов Клаузиусом, а именно с ним все обычно знакомятся.

Так случилось, что так называемый второй закон термодинамики был открыт Карно раньше первого закона! Было бы очень интересно привести здесь аргументы Карно, не опирающиеся на первый закон. Но придется отказаться от этого, потому что мы изучаем физику, а не историю. С самого начала будем пользоваться первым законом, хотя многое можно было бы сделать и без него.

Сначала сформулируем первый закон, закон сохранения энергии: если нам дана система и мы подводим к ней тепло и производим над ней какую-то работу, то приращение энергии системы равно подведенному теплу и затраченной работе. Мы запишем все это так: к системе подводится тепло Q и над ней производится работа W, тогда энергия системы U возрастает; эту энергию иногда называют внутренней энергией. Связаны эти величины следующим соотношением:

Изменение U можно получить, добавляя небольшое количество тепла ΔQ и небольшую работу ΔW:

www.all-fizika.com

Это интересно:

  • Штрафы гибдд42 Штрафы гибдд 42 Guest Штрафы "Тянутся" из Штрафы гибдд 42 базы данных дорожной только на Штрафы гибдд 42 портале государственных услуг www.gosuslugi.ru. Транспортным средством правил дорожного движения по обеспечению […]
  • Признаки наследования групп крови ГРУППЫ КРОВИ (генетика) ГРУППЫ КРОВИ (генетика). Группы крови открыты в начале XX века Landsteiner (1900, 1901) и Jansky (1907). Их обозначение: 0, А, В и АВ было введено в 1910 г. Dungern и Hirzfeld. Согласно представлениям […]
  • Штрафы кемеровская область по фамилии Проверка штрафов гибдд онлайн кемеровская область При проверка штрафов гибдд онлайн кемеровская область том с Вас еще возьмут 3% за перевод денег на счет ГАИ. Узнавать информацию о неоплаченных штрафах – как на Едином портале […]
  • Закон о труде 2014 Топ-14 изменений трудового законодательства в 2014 году Мы подготовили обзор самых важных изменений в трудовом законодательстве. Несмотря на то, что наибольшая часть рассмотренных документов все еще находится на стадии принятия, […]
  • Закон больших чисел история Закон больших чисел история Часть 1. Фундамент прикладной статистики 1.4.1. Законы больших чисел Законы больших чисел позволяют описать поведение сумм случайных величин. Примером является следующий результат, обобщающий полученный […]
  • Штрафы гибдд узнать задолженность владикавказ Гибдд владикавказ GMT+0600 Добрый База данных гибдд красноярского края онлайн 23Sep2013 GMT+0600 автомобилю "ВАЗ21063" под управлением односельчанина Гибдд владикавказ 1951 г.р. Соответствующую страницу на официальном сайте […]