Учебное пособие по физике. Часть II. Молекулярно-кинетическая теория, страница 10

Температура

С понятием температуры человек сталкивается повседневно.

Какой же смысл закладывается в этом понятии? При изучении внутренней энергии мы указывали, что температуру можно определять средней кинетической энергией молекул. В основе этого понятия лежит уравнение

W_k=kT3/2.

Итак, с микроскопической позиции, когда речь идет об отдельных молекулах, температура выступает как мера средней кинетической энергии движения молекул. На практике определение кинетической энергии молекул, а, следовательно, и температуры в микроскопическом понимании, представляет определенные трудности. С макроскопических позиций понятие температуры связано со вторым началом термодинамики. Дело в том, что термометры (жидкостные, металлические, газовые) представляют собой макроскопические объекты, которые приводятся в соприкосновении с исследуемым телом. Между телом и термометром начинается теплообмен, который идет до тех пор, пока не выравниваются температуры, термометр и тело обмениваются некоторым количеством внутренней энергии. В этом случае температура указывает на теплообмен. При равенстве температур тела находятся в термодинамическом равновесии, и температура выступает как величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Следует заметить, что при термодинамическом равновесии температура в любой части системы имеет одно и то же значение. В равновесных условиях температура пропорциональна средней кинетической энергии частиц тела.

Принцип действия тепловой машины.

КПД теплового двигателя

Тепловые машины играют важную исключительную роль в жизни человека. Они превращают внутреннюю энергию топлива  в механическую, электрическую. Основная доля используемой энергии падает на внутреннюю энергию топлива (угля, нефти, газа, торфа).

Рассмотрим принцип действия тепловых машин. Несмотря на их различие в конструктивном плане, все тепловые машины решают одну задачу –  превратить внутреннюю энергию в механическую по следующей схеме (рисунок15). Внутренняя энергия  при сгорании топлива передается какому-либо газу - рабочему телу. Раскаленный газ расширяется, совершает работу (участок 1-2), приводя в действие какой-либо механизм (поршень, турбину). При расширении газ охлаждается (участок 2-3). Потом холодный газ сжимают, при этом часть полученной энергии расходуется на сжатие, но естественно в меньшем количестве, чем получили при расширении, т.к. обратный процесс идет при более низких давлениях. Сжатый газ снова нагревают (участок 4-1) и цикл завершается. В дальнейшем процессы повторяются. При каждом цикле машина дает некоторую полезную работу, определяемую площадью диаграммы 1-2-3-4. Как правило, реальные машины работают по замкнутому циклу, то есть отработанный газ отводится в холодильник и заменяется новым, что значительно упрощает конструкцию машины, но термодинамика процессов, при этом существенно не изменяется. Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочей части холодильника.

Нагреватель представляет собой  либо котел, либо камеру сгорания, где сжигается топливо. В нагревателе рабочее тело получает энергию.

Рабочая часть машины представляет собой цилиндр с поршнем, турбину или какое-либо другое устройство, где газ, расширяясь, совершает работу. Холодильник представляет собой либо специально изготовленную камеру, либо просто атмосферу, куда выбрасывается отработанный газ. Пусть рабочее тело берет от нагревателя некоторое количество теплоты Q₁ , часть его превращается в работу А, а оставшаяся часть Q₂ отдает холодильнику. Коэффициент полезного действия машины будет

η=(Q₂-Q₁)/Q_1.

При этом не учитываются потери на трение в движущихся частях машины. Французский ученый С. Карно доказал, что КПД идеализированной машины, без каких-либо потерь, не может превышать следующей величины

η=(T₁-T₂)/T_1,

где Т₁ -температура нагревателя, Т₂ - температура холодильника.