Тепловые процессы при нагревании и охлаждении

Уравнение теплового баланса.

Q_nолуч + Q_отдан = 0

Где Q_{nолуч -}количество теплоты полученное системой тела.

Q_отдан- количество теплоты отданное системой тела

 

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ ВОПРОС №29

Объясните принцип действия тепловых двигателей. Запишите формулу для определения КПД теплового двигателя и его максимальное значение, объясните ее физический смысл. Объясните принцип действия двигателя, работающего по циклу Карно. Сформулируйте второй закон термодинамики. Объясните необходимость защиты окружающей среды от двигателей внутреннего сгорания.

ОТВЕТ

Тепловые двигатели -это устройства, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую работу. Чтобы тепловая машина работала циклически, необходимо, чтобы часть энергии, полученной от нагревателя, она отдавала холодильнику.

 

В качестве нагревателя используется тепло, выделяемое при сгорании топлива (бензин, керосин, и т.д.); в качестве рабочего тела используются пары топливной жидкости или водяной пар. Получив от нагревателя тепло рабочее тело совершает работу т.е. газ расширяется и двигает поршень. Для того чтобы вернуть поршень в прежнее положение газ отдает количество теплоты холодильнику, в качестве холодильника используется окружающая среда.

КПД – это отношение работы полезной ( к работе затраченной (

ɳ

ɳ=

ɳ=

Полезная работа теплового двигателя считается работа по расширению газа.

А затраченной энергией является количество теплоты (Q) полученное от нагревателя. А –работа.

По закону сохранения энергии –

	Qн = A + Qх	Отсюда	A = Qн – Qх
ɳ=

КПД реальных тепловых двигателей очень низкий (около 20%)

Максимальный КПД дает идеальная тепловая машина работающая по циклу КАРНО

ɳ

T_н– температура нагревателя (К)

T_х – температура холодильника (К)

Цикл КАРНО –это замкнутый цикл по которому работает идеальная тепловая машина. Он состоит из 2-х адиабат и 2-х изотерм.

1-2-изотерма Т= const. Q_н = А

Все тепло, полученное от нагревателя идет на расширение газа.

2-3- адиабатный А = - ∆U

Газ продолжает расширятся за счет охлаждения.

3-4- изотерма - Q_x= - A

Газ сжимается, отдавая тепло холодильнику.

4-1- адиабатный ∆ U = - A

За счет дальнейшего сжатия газ нагревается и переходит в первоначальное состояние.

Второй закон термодинамики

1) Невозможен процесс передачи тепла от более холодного тела к более горячему.

2) Не существует вечного двигателя, т.е. машины работающего без затраты энергии.

Необходимость защиты окружающей среды от ДВС(двигателей внутреннего сгорания) возникает потому, что при работе тепло всех двигателей, полученного от нагревателя выбрасывается вместе с выхлопами в окружающую среду: в результате температураокружающей среды постепенно возрастает, что ведет к глобальному потеплению. Также вместе с выхлопными газами в окружающую среду выбрасываются химические элементы, вредные для здоровья всего живого.

 

 

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ ВОПРОС №30

Дайте определение понятиям испарение и конденсация. Перечислите условия от которых зависит процессы испарения и конденсации. Объясните процесс кипения жидкости на основе молекулярно- кинетической теории. Объясните, как температура кипения жидкости зависит от атмосферного давления, приведите примеры, демонстрирующие эту зависимость. Объясните, почему температура кипения жидкости остается постоянной в процессе кипения.

ОТВЕТ

Испарение - переход из жидкого состояния в газообразное, причем процесс парообразования происходит только со свободной поверхности жидкости. Испарение бывает при любой температуре, так как всегда найдутся достаточно «быстрые» молекулы, способные преодолеть притяжение молекул жидкости. В результате испарения из жидкости вылетают самые быстрые молекулы, поэтому температура жидкости понижается.

Конденсация - процесс обратный испарению, т.е. молекулы из газообразного состояния переходят в жидкое. В открытом сосуде преобладает испарение, а в герметично закрытом сосуде между испарением и конденсацией устанавливается равновесие.

Условия от которых зависит испарение и конденсация:

1)температура жидкости. Чем выше температура, тем больше испаряющихся молекул и меньше конденсирующихся.

2)площадь испаряемой поверхности. Чем больше площадь, тем быстрее испарение.

3)наличие воздушных потоков, ветер уносит испаряющиеся молекулы и они не могут вновь конденсироваться.

4) род жидкости

5) влажности воздуха

Кипение жидкости - интенсивное парообразование сопровождаемое бурлением жидкости.

Процесс кипения: Внутри любой жидкости есть растворенный воздух в виде мельчайших пузырьков. При увеличении температуры жидкости, температура внутри пузырьков возрастает. Тогда согласно уравнению МКТ P=nkT давление воздуха внутри пузырьков увеличивается. В результате пузырьки начинают расти, тогда возрастает выталкивающая Архимедова сила F_А= _жgV. Под действием выталкивающей силы пузырек начинает подниматься на поверхность. Если верхние слои жидкости прогреты, то пузырек лопнет, соприкоснувшись с холодным воздухом. Возникает бурление жидкости.

Кипение (парообразование) – переход вещества из жидкого состояния в газообразное. Происходит при определенной температуре, которую называют температурой кипения.

Условии кипения жидкости.

P_возд. P_атм+

Где P_возд. –давление воздуха внутри пузырька

P_{атм –} атмосферное давление

P_атм – гидростатическое давление

Пузырек начнет увеличиваться в размерах, а значит всплывать только в том случае если давление воздуха внутри него будет больше, чем давление снаружи. Отсюда видно, что чем ниже атмосферное давление, тем быстрее закипит жидкость, т.е при более низкой температуре. Например: в горах температура кипения воды 70 .

Воду можно заставить закипеть даже при комнатной температуре. Для этого надо понизить давление, т.е выкачать воздух. В медицине и промышленном консервировании используют автоклавы. Автоклавы - это специальные устройства, в которые нагнетается дополнительный воздух и вода закипает при 200 , достигается лучшая стерелизация.

В процессе кипения температура жидкости не изменяется. Это объясняется тем, что при кипении происходит интенсивное парообразование и испаряющиеся молекулы уносят часть энергии. В отличии от испарения, при кипении процесс парообразования идет со всего объема жидкости. Несмотря на то, что к кипящему веществу подводят тепло, температура не изменяется. Все затраты энергии идут на увеличение промежутков между молекулами.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ ВОПРОС №31

Сформулируйте понятия насыщенного и ненасыщенного пара. Перечислите свойства насыщенного пара. Дайте определение абсолютной влажности воздуха. Сформулируйте определение относительной влажности воздуха и запишите формулу для ее нахождения. Объясните принцип работы психрометра.

ОТВЕТ

Насыщенный пар -это пар, находящийся в термодинамическом равновесии со своей жидкостью.

Термодинамическое равновесие -это такое состояние, при котором число молекул, испаряющихся за единицу времени равно числу молекул, конденсирующихся в единицу времени. Это значит, что сколько молекул покидает жидкость за 1 секунду, столько же в эту секунду и возвращается.

Примером насыщенного пара служит водяной пар, находящийся в атмосфере при тумане или пар под крышкой в кастрюле с водой.

Свойства насыщенного пара:

1)давление и плотность насыщенного пара данной жидкости при данной температуре, есть величины постоянные, не зависящие от объема.

2)давление и плотность насыщенного пара данной жидкости с увеличением температуры возрастает

3)давление и плотность насыщенного пара различных жидкостей при одинаковой температуре различны и больше у летучих жидкостей

Абсолютная влажность воздуха- это плотность водяного пара, находящегося в атмосфере.

Абсолютная влажность воздуха не зависит от температуры.

Чтобы изменить абсолютную влажность необходимо испарить в атмосферу еще воды.

Относительная влажность воздуха -это физическая величина, показывающая насколько близок пар, находящийся в атмосфере к состоянию насыщения.

=

где (табличная величина)

Р(Па) – парциальное давление водяного пара

(табличная величина)

Относительная влажность воздуха зависит от температуры. Если температура изменяется, то относительная влажность изменяется.

1) Если t↑, = const, ↑, ↓

2) Если t↓, = const, ↓,

Максимальная относительная влажность-100%

Температура, при которой относительная влажность равна 100% называется – точка росы.

Комфортная для человека влажность 50-70%

Психрометр - это прибор для измерения влажности воздуха. Он состоит из 2 термометров: сухого и влажного. Сухой термометр показывает температуру окружающей среды. Влажный термометр показывает температуру точки росы.

Отличие сухого термометра от влажного заключается в том, что спиртовой столбик влажного термометра обернут смоченной водой, тряпочкой. Вода, испаряющаяся с тряпочки, уносит часть энергии, поэтому температура влажного термометра ниже, чем сухого.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ ВОПРОС №32

Объясните модель строения жидкости и ее свойства. Дайте определение понятию поверхностное натяжение, объясните причину ее возникновения. Приведите примеры действия сил поверхностного натяжения. Дайте определение понятию коэффициент поверхностного натяжения. Объясните, как коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры.

ОТВЕТ

В жидкости наблюдается ближний порядок расположения молекул. Молекулы перескакивают из одного положения и другое. Состояние, в котором молекула жидкости покоится, называется «оседлая жизнь».

Свойства жидкости:

1. Не сжимаема

2. Сохраняет объем

3. Принимает форму сосуда, в котором находится

4. Обладает текучестью

5. Обладает вязкостью. Вязкость -это трение, возникающее между различными слоями жидкости, при ее течении.

6. Обладает поверхностным натяжением

Поверхностное натяжение - сила, испытываемая молекулами жидкости на поверхности (сильнее всего на границе газ -жидкость) и направленная в глубину объема жидкости. Из-за поверхностного натяжения жидкость всегда принимает форму, соответствующую минимальной поверхности, в частности капля имеет сферическую форму.

Причины возникновения поверхностного натяжения: равнодействующая сил, приложенных к молекуле, находящихся внутри жидкости равна нулю, а равнодействующая сил, приложенных к молекуле, находящихся в поверхностном слое жидкости отлична от нуля и направлена вглубь жидкости.

Примеры: благодаря действию сил поверхностного натяжения жидкость стремиться принять форму шара. Например: в невесомости жидкость-это идеальные шарик, которые не растекаются. Жидкость растекается под действием силы тяжести, так как она намного больше, чем сила поверхностного натяжения. В небольшом количестве капли жидкости имеют округлую форму (капля росы). Мыльный пузырь-это результат действия сил поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения - это физическая величина, характеризующая силу поверхностного натяжения, возникающую в данной жидкости.

-коэффициент поверхностного натяжения, =[ ]

- это сила поверхностного натяжения

-коэффициент поверхностного натяжения

l - длина поверхностного слоя

А= *S

А - работа поверхностного слоя

S -площадь поверхности

Коэффициент поверхностного натяжения зависит только от рода жидкости и температуры (табл.). При увеличении температуры скорость движения молекул жидкости возрастает, а сила взаимодействия между молекулами уменьшается. Поэтому: если t↑, то ↓

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ ВОПРОС №33

Объясните, как жидкость взаимодействует с твердым телом. Назовите причины смачивания и не смачивания с точки зрения межмолекулярного взаимодействия. Приведите формулу лаплассовского давления и объясните ее физический смысл. Объясните причину подъема или опускания жидкости по капилляру.

ОТВЕТ

Жидкость может смачивать и не смачивать твердое тело. Смачивание наблюдается в том случае, если молекулы жидкости сильнее взаимодействует с молекулами твердого тела, чем между собой. Несмачивание наблюдается в том случае, если молекулы жидкости сильнее взаимодействуют между собой, чем с молекулами твердого тела.

Определить смачивание (а) и несмачивание (б) можно по форме мениска. Мениск – это искривленная поверхность жидкости на границе с твердым телом.

Лаплассовское давление - это избыточное давление, возникающее в результате искривленной поверхности жидкости.

где

Капилляры - это тонкие трубки, по которым может подниматься или опускаться жидкость.

Жидкость поднимается в том случае по капиллярам, если она его смачивает (а). Жидкость опускается по капиллярам в том случае, если она его не смачивает (б).

Жидкость поднимается или опускается по капилярам до тех пор, пока лаплассовское давление не сравнится с гидростатическим.

.

 

Тогда высота подъема (опускания) жидкости по капиллярам

 

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ ВОПРОС №34

Сформулируйте понятия кристаллического и аморфного тела. Перечислите свойства твердого тела. Дайте определения понятиям анизотропия, изотропность. Перечислите виды деформаций, приведите примеры, демонстрирующие различные виды деформаций. Дайте определения понятиям абсолютное и относительное удлинение, механическое напряжения. Приведите формулы: закон Гука, связь жесткости и модуля продольной упругости, объясните их физический смысл. Постройте диаграмму растяжения и объясните ее физический смысл.

ОТВЕТ