С древнейших времен люди пользовались энергией топлива для приготовления пищи, обогрева жилища и обработки металлов. Но после появления тепловых двигателей особое значение приобрело применение энергии топлива для приведения в движение различных механизмов. Понятно поэтому, насколько важно знать способы наиболее эффективного использования топлива для совершения работы.
Для использования внутренней энергии тела нужно ее «отнять» у тела. Это можно осуществить двумя способами – в процессе теплопередачи, когда тело отдает некоторое количества теплоты, или при совершении телом работы.
Теплопередачей пользуются, например, в ряде технологических процессов, связанных с нагреванием тел, а также для обогрева помещений за счет внутренней энергии горячего пара или воды. Но наибольшее значение имеет использование внутренней энергии тел для совершения работы.
Механическая работа совершается лишь тогда, когда происходит упорядоченное движение – перемещение тела. Внутренняя же энергия – это энергия беспорядочно движущихся молекул. Следовательно, для того чтобы за счет внутренней энергии совершалась работа, необходимо найти способ, позволяющий преобразовать хаотическое движение молекул в упорядоченное движение какого-либо макроскопического тела. И задача эта весьма непростая. Любое упорядоченное движение тел в реальных условиях (при наличии трения) частично «преобразуется» в беспорядочное движение молекул (тела нагреваются). Обратное же преобразование хаотического движения молекул в упорядоченное требует специальных условий.
Такие условия могут быть созданы, например, при использовании цилиндра с поршнем. Беспорядочное перемещение молекул газа в цилиндре вызывает перемещение поршня. Цилиндр с поршнем составляет главную часть огнестрельного оружия. За счет внутренней энергии газов, возникающих при сгорании топлива (пороха) в стволе (цилиндре) совершается механическая работа по перемещению снаряда. Огнестрельное оружие, таким образом, является своеобразным тепловым двигателем. Но это не есть двигатель непрерывного действия. Тепловая машина, для того чтобы быть периодически действующим устройством, должна совершать замкнутый процесс или цикл.
| Рис. 4.11 |
Механическая работа совершается при расширении газа в цилиндре, при котором газ проходит через ряд состояний вдоль некоторой кривой а (рис. 4.11). Для того чтобы газ вернулся в первоначальное состояние 1, его нужно сжать, для чего над ним придется совершить работу. Но эта работа обязательно должна быть меньше, чем работа, совершенная газом при его расширении. Напомним, что работа газа при расширении на P-V-диаграмме численно равна площади криволинейной трапеции под кривой а. Чтобы при сжатии газа совершалась меньшая работа, кривая сжатия b должна лежать ниже кривой а. При постоянном объеме V давление выше там, где выше температура (Pa > Pb). Следовательно, расширяться газ должен нагретым, а сжиматься – холодным. Разность площадей под кривыми а и b, то есть площадь, ограниченная замкнутой кривой 1а2b1, равна работе А, совершаемой за цикл. Газ вернулся в исходное состояние, следовательно, его внутренняя энергия не изменилась, то есть ΔU = 0. Таким образом, работа, совершенная газом за цикл, на основании первого начала термодинамики равна:
Читайте также: Коэффициент лобового сопротивления для цилиндра
где Q1 – количество теплоты, полученной газом на стадии расширения (участок 1а2), Q2 – количество теплоты, отведенное от газа на стадии сжатия (участок 2б1).
Отношение совершенной за цикл работы А к количеству теплоты Q1, полученному за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия машины.
| . | (4.39) |
| Рис. 4.12 |
Рассмотрев принцип работы тепловой машины, можно представить ее принципиальную схему, отвлекаясь при этом от конструктивных особенностей (рис. 4.12).
Обязательными составляющими тепловой машины являются два тепловых резервуара: нагреватель с температурой Т1 и холодильник с температурой Т2 Читайте также: Объем первого цилиндра равен у второго цилиндра высота в три
Итак, в адиабатном и изотермическом процессах наиболее полно используется внутренняя энергия для совершения работы. В этих процессах газ отдает энергию только для совершения работы. Очевидно, что для получения максимальной работы цикл тепловой машины должен состоять из адиабатического и изотермического процессов, поскольку только эти процессы позволяют исключить контакт горячего тела с холодным, то есть исключить уменьшение энергии без совершения работы
Видео:Хаотичное движение молекулСкачать
Движение молекул в газах, жидкостях и твёрдых телах
Молекулярно-кинетическая теория даёт объяснение тому, что все вещества могут находиться в трёх агрегатных состояниях: в твёрдом, жидком и газообразном. Например, лёд, вода и водяной пар. Часто плазму считают четвёртым состоянием вещества.
Агрегатные состояния вещества (от латинского aggrego – присоединяю, связываю) – состояния одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются изменением его физических свойств. В этом и заключается изменение агрегатных состояний вещества.
Во всех трёх состояниях молекулы одного и того же вещества ничем не отличаются друг от друга, меняется только их расположение, характер теплового движения и силы межмолекулярного взаимодействия.
Видео:Измерение скоростей молекул газа | Физика 10 класс #32 | ИнфоурокСкачать
Движение молекул в газах
В газах обычно расстояние между молекулами и атомами значительно больше размеров молекул, а силы притяжения очень малы. Поэтому газы не имеют собственной формы и постоянного объёма. Газы легко сжимаются, потому что силы отталкивания на больших расстояниях также малы. Газы обладают свойством неограниченно расширяться, заполняя весь предоставленный им объём. Молекулы газа движутся с очень большими скоростями, сталкиваются между собой, отскакивают друг от друга в разные стороны. Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.
Видео:Измерение скорости движения молекул газа Опыт Штерна.Скачать
Движение молекул в жидкостях
В жидкостях молекулы не только колеблются около положения равновесия, но и совершают перескоки из одного положения равновесия в соседнее. Эти перескоки происходят периодически. Временной отрезок между такими перескоками получил название среднее время оседлой жизни (или среднее время релаксации) и обозначается буквой ?. Иными словами, время релаксации – это время колебаний около одного определённого положения равновесия. При комнатной температуре это время составляет в среднем 10 -11 с. Время одного колебания составляет 10 -12 …10 -13 с.
Время оседлой жизни уменьшается с повышением температуры. Расстояние между молекулами жидкости меньше размеров молекул, частицы расположены близко друг к другу, а межмолекулярное притяжение велико. Тем не менее, расположение молекул жидкости не является строго упорядоченным по всему объёму.
Жидкости, как и твёрдые тела, сохраняют свой объём, но не имеют собственной формы. Поэтому они принимают форму сосуда, в котором находятся. Жидкость обладает таким свойством, как текучесть. Благодаря этому свойству жидкость не сопротивляется изменению формы, мало сжимается, а её физические свойства одинаковы по всем направлениям внутри жидкости (изотропия жидкостей). Впервые характер молекулярного движения в жидкостях установил советский физик Яков Ильич Френкель (1894 – 1952).
Читайте также: Поворотный цилиндр омтл 70
Видео:Опыт Штерна (анимация)Скачать
Движение молекул в твёрдых телах
Молекулы и атомы твёрдого тела расположены в определённом порядке и образуют кристаллическую решётку. Такие твёрдые вещества называют кристаллическими. Атомы совершают колебательные движения около положения равновесия, а притяжение между ними очень велико. Поэтому твёрдые тела в обычных условиях сохраняют объём и имеют собственную форму.
Видео:Урок 152. Среднеквадратичная скорость молекул. Опыт ШтернаСкачать
Движение молекул в газах, жидкостях и твёрдых телах
Молекулярно-кинетическая теория даёт объяснение тому, что все вещества могут находиться в трёх агрегатных состояниях: в твёрдом, жидком и газообразном. Например, лёд, вода и водяной пар. Часто плазму считают четвёртым состоянием вещества.
Агрегатные состояния вещества (от латинского aggrego – присоединяю, связываю) – состояния одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются изменением его физических свойств. В этом и заключается изменение агрегатных состояний вещества.
Во всех трёх состояниях молекулы одного и того же вещества ничем не отличаются друг от друга, меняется только их расположение, характер теплового движения и силы межмолекулярного взаимодействия.
Видео:Урок 151. Средняя кинетическая энергия молекул многоатомного газаСкачать
Движение молекул в газах
В газах обычно расстояние между молекулами и атомами значительно больше размеров молекул, а силы притяжения очень малы. Поэтому газы не имеют собственной формы и постоянного объёма. Газы легко сжимаются, потому что силы отталкивания на больших расстояниях также малы. Газы обладают свойством неограниченно расширяться, заполняя весь предоставленный им объём. Молекулы газа движутся с очень большими скоростями, сталкиваются между собой, отскакивают друг от друга в разные стороны. Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.
Видео:Зависимость скорости движения молекул от температурыСкачать
Движение молекул в жидкостях
В жидкостях молекулы не только колеблются около положения равновесия, но и совершают перескоки из одного положения равновесия в соседнее. Эти перескоки происходят периодически. Временной отрезок между такими перескоками получил название среднее время оседлой жизни (или среднее время релаксации) и обозначается буквой τ. Иными словами, время релаксации – это время колебаний около одного определённого положения равновесия. При комнатной температуре это время составляет в среднем 10 -11 с. Время одного колебания составляет 10 -12 …10 -13 с.
Время оседлой жизни уменьшается с повышением температуры. Расстояние между молекулами жидкости меньше размеров молекул, частицы расположены близко друг к другу, а межмолекулярное притяжение велико. Тем не менее, расположение молекул жидкости не является строго упорядоченным по всему объёму.
Жидкости, как и твёрдые тела, сохраняют свой объём, но не имеют собственной формы. Поэтому они принимают форму сосуда, в котором находятся. Жидкость обладает таким свойством, как текучесть. Благодаря этому свойству жидкость не сопротивляется изменению формы, мало сжимается, а её физические свойства одинаковы по всем направлениям внутри жидкости (изотропия жидкостей). Впервые характер молекулярного движения в жидкостях установил советский физик Яков Ильич Френкель (1894 – 1952).
Видео:Закон БернуллиСкачать
Движение молекул в твёрдых телах
Молекулы и атомы твёрдого тела расположены в определённом порядке и образуют кристаллическую решётку. Такие твёрдые вещества называют кристаллическими. Атомы совершают колебательные движения около положения равновесия, а притяжение между ними очень велико. Поэтому твёрдые тела в обычных условиях сохраняют объём и имеют собственную форму.
📹 Видео
Движение молекул. Диффузия. Броуновское движение. 7 класс.Скачать
Длина свободного пробегаСкачать
Движение молекул + Броуновское движение, эксперимент физика 7 классСкачать
ВСЕ ТИПЫ 7 ЗАДАНИЕ | ОСНОВЫ МКТ | РЕШАЕМ ВМЕСТЕ | ЕГЭ ФИЗИКА 2024 | ДЕМИДОВАСкачать
Урок 153. Распределение молекул по скоростямСкачать
ЕГЭ физика Задание 8#803Скачать
Броуновское движение. Диффузия в жидкостях, газах и твердых телах | Физика 7 класс #5 | ИнфоурокСкачать
Физика 10 класс (Урок№19 - Температура. Энергия теплового движения молекул.)Скачать
Распределение Максвелла — Больцмана (часть 6) | Термодинамика | ФизикаСкачать
Опыт ШтернаСкачать
Рассмотрение темы: "Средняя кинетическая энергия многоатомного газа. Число степеней свободы"Скачать
