10 класс Тема Цикл Карно



10 класс. Тема: «Цикл Карно»

Некрасов Александр Григорьевич, учитель физики, к.х.н.

Статья отнесена к разделу: Преподавание физики.

Тема: «Цикл Карно».

Форма: урок-лекция.

Цели:

Развивать у учеников интерес к техническому прогрессу, уважение к научным достижениям ученых и инженеров.

Изучить принцип работы идеального теплового двигателя, работающего по замкнутому циклу Карно.

Показать значимость применения тепловой машины в жизни человека.

Принцип карно 10 классПри соприкосновении тел с различной температурой более горячее тело (в дальнейшем нагреватель) передаст более холодному (холодильник) некоторое количество

тепла При этом, естественно, уменьшается интенсивность хаотических тепловых движений молекул горячего тела. В свою очередь, интенсивность молекулярного движения в холодном теле возрастает. Процесс перехода тепла от горячего тела к холодному необратим и можно ожидать сколь угодно долго и ни разу не обнаружить случая, когда (для систем с достаточно большим числом молекул) тепло само собой передастся от более холодного тела к более горячему. Возникает проблема, а нельзя ли некоторую часть передаваемого тепла превратить в работу, т.е. за счет энергии хаотических тепловых движений создать необходимые для техники направленные механические движения макроскопических тел (машин, механизмов). Сразу очевидно, что при этом нельзя превратить в работу все отнятое от нагревателя тепло, а лишь некоторую его часть где есть так называемый коэффициент полезного действия теплового двигателя (КПД).

Как показывает практика, первые такие тепловые двигатели ХIX века (а это паровая машина) имели весьма низкий КПД, < 10%. Потребовалось тогда выяснить причину столь низких значений КПД, дело ли в конкретных несовершенствах разработанных машин, или достижение более высоких значений КПД невозможно вообще и противоречит законам физики. Ответ на этот вопрос, еще до полной разработки теоретических основ статистической физики, был получен французским инженером Сади Карно, представившим мысленно идеальную циклическую работу теплового двигателя и подсчитавшего величину максимально возможного значения КПД идеального двигателя, если в качестве рабочего тела используется идеальный газ. Весьма прозорливо С. Карно сконструировал свой идеальный цикл из двух изотерм и двух адиабат – процессов полностью обратимых. Итак рассмотрим ц и к л К а р н о , в котором участвуют четыре тела: рабочее тело (идеальный газ), нагреватель с температурой холодильник с температурой и поршень. На первом участке цикла идеальный газ приводится в

Принцип карно 10 класс

соприкосновение с нагревателем и при возможно малом перепаде температур изотермически нагревается, получая некоторое количество тепла и превращая его в работу расширения. Затем на втором участке рабочее тело отключается от нагревателя и, адиабатически расширяясь, производит еще дополнительную работу за счет уменьшения своей внутренней энергии и понижения температуры до значения бесконечно близкого к температуре холодильника . На третьем участке газ изотермически сжимается, производя отрицательную работу, т.е. заставляя работать поршень, и при этом отдает обратимым путем холодильнику некоторое количество тепла Этот процесс доводится до такой точки (состояния), чтобы рабочее тело могло из нее вернуться в исходное состояние строго по адиабате. На последнем адиабатическом участке рабочее тело отсоединяется от холодильника и поршень возвращает часть полученной работы, ровно столько, сколько он получил на втором участке цикла, и восстанавливается первоначальная энергия и температура рабочего тела. По окончании цикла его можно повторять сколь угодно раз, получая каждый раз одну и ту же работу КПД цикла вычисляется по формуле

η =

Однако, приведенные выше рассуждения носят ограниченный характер, а именно, что это идеальная машина, а рабочее тело – идеальный газ. Эту проблему можно снять, если ввести понятие энтропии и ее статистического смысла. Тогда нам нет необходимости ограничиваться применением в качестве рабочего тела только идеальным газом.

Литература:

Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. М.: «Наука», Т. 1. 1974.



Большой справочник. Физика для школьников и поступающих в вузы. М.: Дрофа. 2008.








sitemap
sitemap