17. Тепловые двигатели

Под тепловым двигателем понимают устройство, преобразующее энергию сгоревшего топлива в механическую энергию. Тепловой двигатель, у которого рабочие части периодически возвращаются в исходное положение, называют периодическим тепловым двигателем.

К тепловым двигателям относятся:

• паровые машины,

• двигатели внутреннего сгорания (ДВС),

• реактивные двигатели,

• паровые и газовые турбины,

• холодильные машины.

Для работы периодического теплового двигателя необходимо выполнение следующих условий:

• наличие рабочего тела (пара или газа), которое, нагреваясь при сгорании топлива и расширяясь, способно совершить механическую работу;

• использование кругового процесса (цикла);

• наличие нагревателя и холодильника.

Второе начало термодинамики

Схема теплового двигателя имеет вид, изображенный на рисунке. количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя, - количество теплоты, отданное рабочим телом холодильнику.

Из схемы видно, что тепловой двигатель совершает работу только за счет передачи теплоты в одном направлении, а именно от более нагретых тел к менее нагретым, причем вся теплота, взятая от нагревателя, не может быть

превращена в механическую работу. Это не случайность, а результат объективных закономерностей, существующих в природе, которые отражены во втором начале термодинамики. Второе начало термодинамики показывает, в каком направлении могут протекать термодинамические процессы, и имеет несколько равнозначных формулировок. В частности, формулировка Кельвина такова: невозможен такой периодический процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу.

КПД теплового двигателя. Цикл Карно.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют величину, равную отношению количества теплоты, превращенной двигателем в механическую работу, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.

Для определения максимально возможного значения КПД теплового двигателя французский инженер С. Карно рассчитал идеальный обратимый цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Он доказал, что максимальное значение КПД идеальной тепловой машины, работающей без потерь на обратимом цикле

.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем при температуре и холодильником при температуре не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины с теми же температурами.

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

1. Электризация тел. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона

Многие частицы и тела способны взаимодействовать между собой с силами, которые, как и силы тяготения пропорциональны квадрату расстояния между ними, но во много раз больше сил тяготения. Этот вид взаимодействия частиц называют электромагнитным.

Принято считать, что элементарные частицы, способные к электромагнитным взаимодействиям, имеют электрический заряд.

Следовательно, электрический заряд есть количественная мера способности частиц к электромагнитным взаимодействиям.

Существует два вида электрических заряда, условно называемых положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Экспериментально установлено, что заряд любого тела состоит из целого числа элементарных зарядов, т.е. электрический заряд дискретен. Элементарный заряд обычно обозначают буквой е. Заряд всех элементарных частиц (если он не равен нулю) одинаков по абсолютной величине.

|e| = 1,6·10 ^–19 Кл

Любой заряд, больше элементарного, состоит из целого число элементарных зарядов

q = ± Ne (N = 1, 2, 3, …)

Электризация тел всегда сводится к перераспределению электронов. Если тело имеет избыток электронов, то оно заряжено отрицательно, если - недостаток электронов, то тело заряжено положительно.

В изолированной системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной (закон сохранения электрического заряда):

q₁ + q₂ +…+ q_N = ∑q_i = const

Закон, которому подчиняется сила взаимодействия точечных неподвижных зарядов установлен Кулоном (1785 г.)

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями от этого тела до других тел, несущих электрический заряд.

Согласно закону Кулона сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

F = k	|q1| ·|q2|
	r2

k – коэффициент пропорциональности.

В СИ k =	1
	4πε0

k = 9·10⁹ Н·м²/Кл² ε₀ = 8,85·10^-12 Кл²/Н·м² (ε₀ – электрическая постоянная).

2. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей

Электрическое поле – вид материи, посредством которого происходит взаимодействие электрических зарядов.

Силовой характеристикой электрического поля является напряженность электрического поля.

Напряженность электрического поля в данной точке равна отношению силы, с которой поле действует на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда.

.

Напряженность электрического поля измеряется в или в .

Напряженность поля точечного заряда .

Согласно принципу суперпозиции (наложения) полей напряженность поля системы зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, которые создавал бы каждый из зарядов системы в отдельности.

+ q1 -q2

Электрические поля могут быть изображены графически с помощью линий напряженности (силовых линий) электрического поля.

Линией напряженности электрического поля называют линию, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности в этой точке.

Густота линий выбирается так, чтобы количество линий, пронизывающих единицу площади поверхности, перпендикулярной к линиям площадки было равно численному значению вектора .

3. Работа сил электростатического поля. Потенциал электростатического поля

F dr α dl 1 q´ 2 r1 r2 q

Сила, действующая на точечный заряд, находящийся в поле другого заряда, является центральной. Центральное поле сил является потенциальным. Если поле потенциально, то работа по перемещению заряда в этом поле не зависит от пути, по которому перемещается заряд а зависит от начального и конечного положения заряда и . Работа на элементарном пути

= .

Из данной формулы следует, что силы, действующие на заряд в поле неподвижного заряда , являются консервативными, т.к. работа по перемещению заряда действительно определяется начальным и конечным положением заряда.

Из курса механики известно, что работа консервативных сил на замкнутом пути равна нулю.

Циркуляция вектора напряженности электростатического поля по любому замкнутому контуру равна нулю.

Потенциал

Тело, находящееся в потенциальном поле сил, обладает энергией, за счет которой совершается работа силами поля

.

Следовательно, потенциальная энергия заряда в поле неподвижного заряда

.

Величина, равная отношению потенциальной энергии заряда к величине этого заряда, называется потенциалом электростатического поля

.

Потенциал является энергетической характеристикой электрического поля.

Потенциал электрического поля точечного заряда

.

Потенциал поля, создаваемого системой заряженных тел равен алгебраической сумме потенциалов, создаваемых каждым зарядом в отдельности

.

Заряд , находящийся в точке поля с потенциалом , обладает энергией

.

Работа сил поля над зарядом

Величина называется напряжением. Потенциал и разность потенциалов (напряжение) измеряются в вольтах (В).

4. Связь между напряженностью электростатического поля и потенциалом

Работа сил электрического поля над зарядом на отрезке пути

.

С другой стороны , поэтому .

Отсюда следует, что