Цикл Карно для идеальной тепловой машины. Принцип действия теплового двигателя.Цикл Карно.КПД цикла Карно.Теорема Карно

Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов.

Цикл Карно назван в честь французского военного инженера Сади Карно, который впервые его исследовал в 1824 году.

Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

Описание цикла Карно: пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой , холодильника с температурой и рабочего тела.

Цикл Карно состоит из четырёх стадий:

1. Изотермическое расширение (на рисунке — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру , то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты . При этом объём рабочего тела увеличивается.

2. Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.

3. Изотермическое сжатие (на рисунке — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру , приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты .

4. Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

При изотермических процессах температура остаётся постоянной, при адиабатических отсутствует теплообмен, а значит, сохраняется энтропия:

при .

Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T и S (температура и энтропия). Тепловым двигателем называется устройство, совершающее механическую работу за счет внутренней энергии топлива.

Тепловые двигатели весьма разнообразны как по конструкции, так и по назначению. Это и паровые турбины на тепловых электростанциях, и двигатели внутреннего сгорания на автомобилях, тракторах, и реактивные двигатели различных типов.

Все тепловые двигатели обладают общим свойством — периодичностью действия (цикличностью), в результате чего рабочее тело периодически возвращается в исходное состояние.

Принцип действия теплового двигателя рассмотрим на примере поршневого двигателя.

КПД тепловой машины Карно

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно . Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдало холодильнику . Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен

.

Из последнего выражения видно, что КПД тепловой машины Карно зависит только от температур нагревателя и холодильника. Кроме того, из него следует,что КПД может составлять 100 % только в том случае, если температура холодильника равна абсолютному нулю. Это невозможно, но не из-за недостижимости абсолютного нуля (этот вопрос решается только третьим началом термодинамики, учитывать которое здесь нет необходимости), а из-за того, что такой цикл или нельзя замкнуть, или он вырождается в совокупность двух совпадающих адиабат и изотерм.

Поэтому максимальный КПД любой тепловой машины будет меньше или равен КПД тепловой машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника. Например, КПД идеального цикла Стирлинга равен КПД цикла Карно.

23Свойства электрических зарядов. Электрический заряд.Фундаментальные свойства электрических зарядов.Закон Кулона.Величина и направление силы.

Электри́ческий заря́д — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Кл Фундам ентальными свойствами электрического заряда являются: существование двух видов заряда, его инвариантность, дискретность, аддитивность и подчинение закону сохранение заряда. ИНВАРИА́НТНОСТЬ, неизменность какой-либо величины при изменении физических условий или по отношению к некоторым преобразованиям, напр., преобразованиям координат и времени при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. ДИСКРЕ́ТНОСТЬ - прерывность; противопоставляется непрерывности. Напр., дискретное изменение какой-либо величины во времени — изменение, происходящее через некоторые промежутки времени (скачками). АДДИТИ́ВНОСТЬ - свойство величин, состоящее в том, что значение величины, соответствующее целому объекту, равно сумме значений величин, соответствующих его частям, каким бы образом ни был разбит объект. Например, аддитивность объема означает, что объем целого тела равен сумме объемов его частей.

Зако́н Куло́на — это закон, описывающий силы взаимодействия между точечными электрическими зарядами. .. Сила F направлена по прямой,соединяющей взаимодействующие заряды т.е. является нейтральной и соответствует притяжению(F>0) в случае разноименных зарядов и отталкивается (F<0)в случае одноименных.Величина ε₀-Электрическая постоянная(8,85*10^-12Кл²(Н*м²))

24Напряженность электрического поля в вакууме. Напряженность как силовая хар-ка поля(величина,направление,еденицы измерения)Напряженность поля точечного заряда.Принцип суперпозиции.Графическое изображение электростат/полей.

Напряженность определяет степень взаимодействия зарядов и поэтому ее можно назвать силовой характеристикой поля. Напряженностью электрического поля(ньютон/кулон) в данной точке пространства называется величина, равная отношению силы F, действующей на единичный положительный заряд q, помещенный в данную точку, к величине этого заряда. E = F /q. Поскольку сила и напряженность поля - есть пропорциональные величины F = q* E, то для напряженности электрических полей справедлив принцип суперпозиции.Совпадает с направление силы,действующей на полож заряд. Напряженность поляточеччного заряда E=kq/r ² . При́нцип суперпози́ции Результат воздействия на частицу нескольких внешних сил есть векторная сумма воздействия этих сил. Принцип суперпозиции в электростатике, утверждает, что напряженность электростатического поля, создаваемого в данной точке системой зарядов,

есть сумма напряженностей полей отдельных зарядов. Графически изображают с

помощью линий напряженности-линий,касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора Е.

25Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в вакууме. Поток вектора напряженности электрического поля.Теорема Остроградского-Гаусса.Применение теоремы Гаусса к расчету напряженности бесконечной заряженной плоскости. Число линий вектора E, пронизывающих некоторую поверхность S, называется потоком вектора напряженности N_E. Поток вектора напряженности электрического поля через замкнутую поверхность в вакууме равен алгебраической сумме всех зарядов, расположенных внутри поверхности, деленной на ε₀.

– теорема Гаусса для нескольких зарядов.

Поток вектора напряженности электростатического поля

26Потенциал. Работа перемещения заряда по произвольному пути в электростатическом поле.Потенциал поля точечного заряда.Разность потенциалов.Циркуляция вектора напряженности электростатического поля плоскости по произвольному замкнутому контуру.

Работа по перемещению заряда в электростатическом поле по замкнутому пути равна нулю.Дж-Лн: при прохождении тока через проводник на нем происходит рассеивание энергии, вследствие столкновения носителей тока с част/среды.Так как работа идет па нагревание проводника, то выделяющаяся в проводнике теплота Q равна работе электростатических сил Q=A=IUtПотенциал электростат/поля-скалярная величина,равная отношению потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду . Х арактерным для электростатического поля является то обстоятельство, что циркуляция вектора напряженности этого поля по любому замкнутому контуру равна нулю→что,линии напряженности электростатического поля могут быть замкнутыми,они начинаются и кончаются на зарядах или уходят в бесконечность Напряже́ние (разность потенциалов) между 2я точками — отношение работы электрического поля при переносе пробного электрического заряда из точки в точку к величине пробного заряда.

27Связь напряженности электрического поля с потенциалом. Напряженность электрического поля как градиент потенциала(вывод).Эквипотенциальные поверхности.Взаимное расположение силовых линий поля и эквипотенциальных поверхностей. Градиент-вектор определяемый: gradP=(dP/dx)i+(dP/dy)j+(dP/dz)k. Работа по перемещению ед/точечного полож заряда из одной точки поля в другую вдоль Ох(если точки расположены бескон/близко друг к другу и х₂-х₁=dx)равна Е_хdx.Та же работа=φ₂-φ₁=-dφ,прировняв→Е_х=dφ/dx.Повторив для у,z→E=-((dφ/dx)i+(dφ/dy)j+(dφ/dz)k) → Е=-gradφ( -т.к вектор Е направлен в сторону убывания потенциала). Эквипотенциальные поверхности-пове-ти,во всех точках которых потенциал φ имеет одно и то же значение. Линии напряженности всегда нормальны к эквипотенциальным поверхностям т.к. все точки эквипот/повер-ти имеют имеют одинак/потенциал→работа по перемещению заряда вдоль этой оси=0.

28Проводники в электрическом поле.Распределение зарядов внутри и на поверхности проводников.Напряженность поля внутри проводника и у его поверхности.Электростатическая защита.Электроёмкость уединнёного проводника,электроёмкость конденсатора.Электроёмкость плоского конденсатора. Предположим, что этот объем имеет заряд (для определенности, положительный). Если мысленно выделить малый объём внутри проводника →тогда из выделенного объема будут выходить силовые линии, т. е. вблизи него будет существовать электрическое поле. Но поля внутри проводника нет. Поэтому выделенный объем должен быть нейтрален. А поскольку этот объем взят нами в произвольном месте внутри проводника, то можно утверждать:вся внутренность проводника нейтральна и→ весь заряд проводника находится на его поверхности. Своб одные заряды в проводнике способны перемещаться под действием сколь угодно малой силы→ для равновесия зарядов в проводнике должны выполняться: Напряженность поля внутри проводника должна быть равна нулю т.к. потенциал внутри проводника должен быть постоянным. Напряженность поля на поверхности проводника должна быть перпендикулярна поверхности. Электростатическая защита — помещение приборов, чувствительных к электрическому полю, внутрь замкнутой проводящей оболочки для экранирования от внешнего электрического поля. C=Q/φ-электроемкость уед/проводника( опреляется зарядом,сообщение которого проводнику изменяет его потенциал на единицу Фарад) Ёмк/кон-ра -физ/вел,равная отношению заряда Q,накопленного в кон-ре,к разности потенциалов, между обкладками C=Q/(φ₁-φ₂).Плоск/кон-торС=ε₀εS/d

29Диэлектрики в диэлектрическом поле. Диполь, дипольный момент. Виды диэлектриков. Поляризация полярных и неполярных диэлектриков в элекр/поле. Вектор поляризаии. Диэлектрическая восприимчивость и диэлект/проницаемость.

Диполь -система 2х равных по модулю разноимённых точечных зарядов, расстояние L межу которыми<чем до рассмат-ых точек поля. Вектор, p=│Q│L, совпадающий по направлению с плечом диполя.

Неорганические диэлектрики: стекла, слюда, керамика, неорганические пленки (окислы, нитриды, фториды), металлофосфаты, электроизоляционный бетон. Особенности неорганических диэлектриков - негорючи, как правило, свето-, озоно- термостойки, имеют сложную технологию изготовления. Старение на переменном напряжении практически отсутствует, склонны к старению на постоянном напряжении.

Органические диэлектрики: полимеры, воски, лаки, резины, бумаги, лакоткани. Особенности органических диэлектриков - горючи (в основном), малостойки к атмосферным и эксплуатационным воздействиям, имеют (в основном) простую технологию изготовления, как правило, более дешевы по сравнению с неорганическими диэлектриками Непо лярные молекулы -центры тяжести полож и отриц зарядов в отсутствии внеш/электр поля совпадают.Полярные-центры тяжести не совпадают. Поля ризация диэлек с поляр/молекул заключается в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по полю;с неполяр/молекулами,заключается в возникновении у атомов индуцированного дипольного момента за счет деформации электр/орбит.

Вектор поляризации — векторная физическая величина, равная дипольному моменту единицы объёма вещества, возникающему при его поляризации, количественная хар-ка диэлектрической поляризации. ε=1+ɶ -диэлектрическая проницаемость среды(во сколько раз поле ослабляется диэлектриком). P=ɶε₀E -диэлектрическая восприимчивость(св-ва диэлектрика)ɶ-безразмерная величина,>0.

30 Энергия электростатического поля. Энергия уединённого заряженного проводника(вывод).Энергия системы заряженных проводников. Энергия заряженного конденсатора. Плотность энергии электростатического поля. Им еется уединённый проводник,заряд,ёмкость и потенциал которого равны Q,C,φ.Увеличим заряд этого проводник, атратив работу dA=φdQ=Cφdφ. Чтобы зарядить тело от нул/заряда потенциала до φ,надо совер-ть работу: А=Сφ²/2= энергия заряж/проводника W=Cφ²/2=Qφ/2=Q²/(2C) (φпотенциал проводника,Qзаряд провод) полная энергия системы заряженных проводников Как всякий заряж-ый проводник, конденсатор обладает энергией W=C/(Δφ)²/2=Q²/2C (Qзаряд кон-ра;С его ёмкость;Δφразность потенциалом между обкладками)Мех-ая(пондемоторная)сила, сила прит-ия обкладок друг к другу= F=-Q²/2ε₀εS. Энер гия электрост-го поля W=(ε₀εE²/2)V.w=W/V=ED/2 -Объёмная плотность энергии электрост-го поля(для изотропных диэлектриков)