 |
|
Отже, кількість теплоти Q, що передається системі, витрачається на зміну її внутрішньої енергії U і на виконання системою роботи над зовнішніми тілами.
Внутрішня енергія змінюється в результаті виконання роботи і шляхом теплообміну. У кожному стані система має певну внутрішню енергію U. Робота і кількість теплоти не містяться в тілі, а характеризують зміни його внутрішньої енергії U.
Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів. Адіабатний процес.За допомогою першого закону термодинаміки можна робити важливі висновки про характер процесів, що відбуваються. Розрізняють різні процеси, під час перебігу яких одна з фізичних величин залишається незмінною (ізопроцеси).
Якщо термодинамічною системою є ідеальний газ і його об’єм не змінюється (ізохорний процес), то 
, а зміна внутрішньої енергії, згідно з (6.5) дорівнюватиме кількості теплоти:
.
Ізотермічний процес. Якщо 
внутрішня енергія системи не змінюється. Уся передана газу кількість теплоти витрачається на виконання роботи над зовнішніми тілами:
.
Ізобарний процес. Кількість теплоти 
, передана газу за сталого тиску, витрачається на зміну його внутрішньої енергії і на виконання ним роботи над зовнішніми тілами:
.
Адіабатний процес – процес, що відбувається в теплоізольованій системі (немає обміну енергією із зовнішніми тілами). При цьому 
і змінити внутрішню енергію системи можна лише за рахунок виконання над нею роботи:
.
Звісно, неможливо оточити систему оболонкою, яка абсолютно не пропускатиме тепло, та іноді можна вважати реальні процеси дуже близькими до адіабатних. Для цього вони мають здійснюватися так швидко, щоб за час перебігу процесу не відбулося теплообміну (наприклад, поширення звуку у повітрі), або якщо процеси відбуваються з величезними масами газу (наприклад, в атмосфері Землі).
З першого закону термодинаміки випливає неможливість побудови «вічного» двигуна першого роду, адже будь-яка система не може нескінченно довго виконувати роботу без передачі їй теплоти. Справді, коли , то робота має виконуватися за рахунок внутрішньої енергії системи, яка є обмеженою.
Оборотні і необоротні теплові процеси.Закон збереження і перетворення енергії твердить, що кількість енергії за будь-яких її перетворень незмінна, але нічого в ньому не вказує на те, які енергетичні перетворення можливі. Однак, багато процесів, цілком допустимих з погляду закону збереження енергії, ніколи не відбуваються насправді. Наприклад, нагріте тіло, поступово охолоджуючись, передає свою енергію більш холодним тілам, які його оточують. Зворотний процес передачі теплоти від холодного тіла до гарячого самовільно відбуватися не може. Кількість таких прикладів можна навести безліч. Отже, процеси в природі мають певну спрямованість і у зворотному напрямі вони самовільно відбуватися не можуть.
Усі процеси в природі необоротні. Напрям можливих енергетичних перетворень вказує другий закон термодинаміки. Він підтверджує необоротність процесів у природі і був сформульований на основі дослідних фактів Клаузіусом: неможливо перевести теплоту від більш холодної системи до більш гарячої, якщо не відбувається інших одночасних змін в обох системах або тілах, які їх оточують.
Важливість другого закону термодинаміки полягає у висновку: необоротна не тільки теплопередача, а й інші процеси в природі.
? Запитання для самоперевірки
1. Як формулюють закон збереження енергії?
2. У чому полягає еквівалентність кількості теплоти, механічної роботи, затраченої енергії?
3. Як записують і формулюють перший закон термодинаміки?
4. Як записується перший закон термодинаміки для ізотермічного, ізохорного, ізобарного й адіабатного процесів?
5. Який процес називають адіабатним? За яких умов він здійснюється? Наведіть приклади адіабатних процесів.
6. Який процес називають циклічним? Оборотним?
7. У чому полягає фізичний зміст другого закону термодинаміки? Як формулюють цей закон?
§ 42. Теплові машини
Принцип дії теплових двигунів. Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна. Холодильна машина.
Принцип дії теплових двигунів. Запаси внутрішньої енергії в земній корі й океанах можна вважати практично необмеженими. Але володіти запасами енергії ще недостатньо, необхідно вміти за рахунок енергії приводити в рух верстати, засоби транспорту, машини, обертати ротори генераторів електричного струму тощо. Людству потрібні двигуни, тобто пристрої, здатні виконувати роботу. Більша частина двигунів на землі – теплові двигуни, тобто пристрої, які перетворюють внутрішню енергію палива в механічну енергію. Для того щоб двигун виконував роботу, необхідна різниця тисків по обидва боки поршня двигуна або лопостей турбіни. Незважаючи на різноманітність видів теплових двигунів, усі вони мають загальний принцип дії. У роботі двигунів можна виокремити такі загальні ознаки:
1) у будь-якому тепловому двигуні відбувається перетворення енергії палива в механічну енергію;
2) для роботи теплового двигуна потрібні нагрівник, охолоджувач і робоче тіло. У процесі роботи теплового двигуна робоче тіло забирає від нагрівника певну кількість теплоти 
і перетворює частину цієї теплоти в механічну енергію, а не перетворену частину теплоти 
передає охолоджувачу. За законом перетворення і збереження енергії 
;
3) робота будь-якого теплового двигуна полягає у повторюванні циклів зміни стану робочого тіла.
Розглянемо чотирикратний цикл роботи ідеального двигуна, який уперше відкрив французький учений С. Карно (1796 – 1832). Газ, поміщений у теплопровідний циліндр із рухомим поршнем, приведемо в контакт з нагрівником (мал. 6.5), що має температуру 
. При цьому газ, нагріваючись до , ізотермічно розширюватиметься, переходячи зі стану 1 в стан 2 (мал. 6.6). У результаті газ отримає від нагрівника теплоту і виконає супроти зовнішніх сил роботу 
. Після досягнення газом стану 2 перервемо контакт робочого тіла (газу) з нагрівником і помістимо циліндр у теплоізольовану адіабатну оболонку. Залишимо газу можливість додатково адіабатно розширитись до стану 3. При цьому:
• газ виконає супроти зовнішніх сил роботу 
за рахунок своєї внутрішньої енергії U;
• температура газу знизиться з до 
, оскільки його внутрішня енергія U зменшиться.
Після досягнення газом стану 3 приведемо його у контакт з охолоджувачем, температура якого . Газ ізотермічно стиснеться зовнішньою силою. Знову помістимо циліндр у теплоізольовану оболонку і газ, у результаті адіабатного стиснення, набуде вихідного стану. Зобразимо ці процеси в координатах 
. Цей цикл Карно складатиметься з двох ізотерм (1 → 2, 3 → 4) і двох адіабат (2 → 3, 4 → 1) (мал. 6.6).
Робота, яку виконує газ, пропорційна площі фігури, обмеженої ізотермами і адіабатами. Такий цикл роботи теплового двигуна найвигідніший; його називають циклом Карно.
Неможливість повного перетворення внутрішньої енергії газу у роботу зумовлена необоротністю теплових процесів у природі. Корисна робота, яку виконує двигун,
,
де – кількість теплоти, яку отримало робоче тіло від нагрівника; – кількість теплоти, віддана холодильнику.
Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна. Коефіцієнт корисної дії для будь-якої теплової машини дорівнює відношенню корисно використаної енергії до затраченої енергії:
або 
%. (6.6)
Із формули (6.6) видно, що за будь-якої конструкції машини ККД залежить від температур нагрівника і холодильника :
% (6.7)
– максимальне значення ККД теплової машини. Формулу (6.7) можна використовувати лише для циклу Карно ідеальної теплової машини. Згідно з формулою (6.7) здійснюють удосконалення довільних теплових машин. Збільшити ККД можна:
• збільшуючи 
нагрівника;
• зменшуючи холодильника.
Згідно з формулою (6.7) ККД теплової машини міг би дорівнювати одиниці, якби була можливість використати холодильник із температурою 
0 К. Але згідно з третім законом термодинаміки абсолютний нуль температури – недосяжний. Холодильниками для реальних теплових двигунів, переважно, є атмосферне повітря або вода за температури 
300 К.
Тому основний спосіб підвищення ККД теплових двигунів – це підвищення температури нагрівника. Але її не можна підняти вище температури плавлення тих матеріалів, з яких виготовляється тепловий двигун. Наприклад, температура нагрівника сучасної парової турбіни наближається до 850 К і максимально можливе значення ККД, обчислене за формулою (6.7), становить майже 65%.
Холодильна машина. Холодильною називають машину, яка за рахунок зовнішньої роботи здійснює передачу теплоти від тіла з нижчою температурою T2 до тіла з вищою температурою T1.У холодильних машинах під час виконання зовнішньої роботи теплота від тіла, що охолоджується, передається в навколишнє середовище (мал. 6.7).
Величина А = Q1 – |Q2|. Ефективність дії холодильної машини визначається холодильним коефіцієнтом, який вимірюється відношенням теплоти, відведеної в оборотному циклі від робочого тіла, до виконаної зовнішньої роботи:
ε = 
. (6.8)
Цей коефіцієнт може бути більшим за 1. Він залежить від різниці температур нагрівника Т1 і охолоджувача Т2.
Холодильні машини за типом робочих тіл поділяють на газові та парові.
Робоче тіло (спеціальний газ фреон) забирає тепло Q2 від холодильника (від морозильної камери і продуктів) і передає тепло Q1 нагрівнику (кімнаті).
У домашніх умовах користуються переважно парокомпресорними холодильниками, що складаються з двох трубчастих змійовиків і компресора (мал. 6.8). Змійовик 1 разом із розширювальною трубкою 4 і реле з біметалевою пластинкою, яка періодично вмикає компресор, знаходиться в морозильній камері. Змійовик 3 знаходиться на задній стінці корпуса холодильника. Знизу знаходиться компресор 2, який приводиться в рух електродвигуном.
У циліндрі компресора газ зазнає стиснення, що приводить до підвищення його температури і тиску. Частина тепла Q1 через змійовик 3 передається кімнаті. Під час переходу з вузької частини трубки широку 4 газ зазнає різкого охолодження і на деякий час перетворюється у рідину, яка після відбирання кількості теплоти Q2 від продуктів у морозильній камері знову перетворюється у газ. За низького тиску газ нагнітається у циліндр компресора, де знову виконується робота А із стискання газу і все знову повторюється.
До холодильних машин відносяться і кондиціонери. У них морозильна камера (змійовик 1) за допомогою вентилятора обдувається повітрям, яке охолоджуючись, далі поширюється по приміщенню. Теплообмінник 3 віддає тепло в атмосферу.
Якщо морозильну камеру помістити на зовнішньому боці будівлі, а теплообмінник 3 – у приміщенні, то така холодильна машина буде забирати тепло від атмосфери, обігріваючи це приміщення. Такий спосіб обігріву запропонував свого часу англійський фізик В. Томсон (лорд Кельвін), назвавши свій пристрій тепловим насосом, ефективність якого обчислюється за формулою:
К = 
, (6.9)
де Q1 – кількість теплоти, яку насос віддає кімнаті, А – робота, яку виконує компресор.
Використання теплового насоса для обігріву приміщень є економічно вигідним. Наразі широко використовуються теплові насоси з функцією кондиціонера. Перемикачем можна змінити функцію такого теплового насоса – залежно від пори року (мал. 6.9).
? Запитання для самоперевірки
1. Що називають тепловим двигуном?
2. Що називають нагрівником, холодильником? Яка їх роль у роботі теплового двигуна?
3. Що називають робочим тілом? Які речовини використовують як робоче тіло двигуна?
4. За якою формулою визначають роботу, виконану двигуном?
5. Що називають ККД теплового двигуна?
6. Запишіть і поясніть формулу ККД теплового двигуна.
7. За якою формулою визначають ККД ідеальної теплової машини (ККД машини Карно)?
8. Який ККД паросилових установок і двигунів внутрішнього згоряння?
9. Опишіть робочий цикл холодильної машини.
10. З яких блоків складається побутовий холодильник?
11. Чому зовнішній теплообмінник вашого холодильника нагрівається?
§ 43. Застосування теплових машин і проблеми охорони навколишнього середовища
Екологічні проблеми теплової енергетики. Енергетична криза.
Екологічні проблеми теплової енергетики. Широке застосування теплових машин для добування зручної у використанні енергії найбільше впливає на навколишнє середовище порівняно з усіма іншими видами виробничих процесів, адже з їх допомогою виробляється майже 80% електроенергії.
Досягненню високих температур нагрівника заважає неповне згоряння палива, зокрема, у двигунах внутрішнього згоряння. Це спричиняє екологічні проблеми.
За законами термодинаміки, електричну і механічну енергію неможливо виробляти без відведення в навколишнє середовище значних кількостей теплоти. Це може призвести до підвищення середньої температури на Землі і створити загрозу підвищення рівня Світового океану.
Підвищення температури на Землі може спричинити і подальше істотне збільшення концентрації вуглекислого газу в атмосфері, зумовлене спалюванням палива у теплових машинах. За останні двадцять років кількість вуглекислого газу в атмосфері Землі збільшилась майже на 20%.
Молекули вуглекислого газу здатні поглинати інфрачервоне випромінювання, тому збільшення вмісту вуглекислого газу в атмосфері змінює її прозорість. Інфрачервоне випромінювання, що надходить від поверхні Землі, все більшою мірою поглинається атмосферою.
Під час спалювання палива атмосфера забруднюється попелом, азотистими та сірчаними сполуками, шкідливими для здоров’я людей. Особливо істотне це забруднення у великих містах і промислових центрах. Більше половини всіх забруднень атмосфери створює транспорт. Крім оксиду вуглецю, викидаються в атмосферу 2 – 3 млн т свинцю. Сполуки свинцю додають в автомобільний бензин для запобігання детонації палива в двигуні, тобто дуже швидкого згоряння палива.
З метою зменшення таких викидів дедалі більше випускається автомобілів, у яких замість бензинових використовують дизельні двигуни, у паливо яких не додають сполук свинцю. Однак найперспективнішими вважаються електромобілі та автомобілі, які працюють на водні. Продуктом згоряння у водневому двигуні є звичайна вода.
Застосування теплових двигунів призводить до значного споживання кисню, який виробляється зеленими рослинами (10 – 25%), через що його кількість в повітрі постійно зменшується.
Застосування парових турбін на електростанціях потребує відведення великих площ під ставки, в яких охолоджується відпрацьована пара. Зі збільшенням потужностей електростанцій різко зростає потреба у воді.
Для економії площ і водних ресурсів споруджуються комплекси електростанцій, насамперед атомних, із замкненим циклом водопостачання.
Одним із заходів захисту довкілля є встановлення різноманітних фільтрів як на теплових станціях, так і на автомобільних двигунах. Розробляються нові зразки газотурбінних, роторних і навіть парових двигунів.
Енергетична криза. Оскільки в основу дії теплових машин покладено використання енергетичних ресурсів, запаси яких вичерпуються і не відновлюються, то це може призвести до енергетичної кризи. Використовуючи менше не поновлювані джерел енергії, ми зменшуємо кількість шкідливих викидів у атмосферу. Гостро постала проблема енергозбереження та використання нетрадиційних джерел енергії.
Перспективним є підвищення коефіцієнта корисної дії теплових машин за рахунок винайдення нових сумішей палива, удосконалення конструкції двигунів, використання теплових насосів тощо.
Зменшує теплові втрати пряме перетворення теплової енергії в електричну за допомогою потужних магнітогідродинамічних генераторів (МГД-генераторів), які набудуть значного поширення. У них теплова енергія плазми перетворюється в електричну.
Ефективним є використання нетрадиційних джерел енергії. Серед них – вітроенергетичні установки, сонячні батареї, біодизельні установки тощо. Сировиною для отримання біопального у кліматично-географічних умовах України є ріпак. З гектара оліїстого ріпаку можна одержати майже одну тонну біодизельного пального.
Запобігти енергетичній кризі та екологічній катастрофі може і кожен з вас, турбуючись про раціональне використання енергії у школі та побуті.
? Запитання для самоперевірки
1. У чому полягає негативна дія теплових машин на довкілля?
2. Які методи захисту довкілля наразі використовуються?
3. Якими є шкідливі наслідки від роботи теплоелектростанцій?
4. Що ви знаєте про вплив парникового ефекту на клімат?
5. Що впливає на стан озонового шару атмосфери?
6. Чи веде підвищення коефіцієнта корисної дії теплових машин до зниження рівня забруднення довкілля?
7. Чому людству слід економити вугілля, нафту та іншу сировину, а не спалювати її для отримання теплової енергії?
8. Які ви знаєте альтернативні джерела енергії?
9. Назвіть нетрадиційні способи одержання і перетворення енергії?
10. Чи є тепловий насос енергозберігаючим пристроєм?
11. Назвіть приклади високоефективних джерел і перетворювачів енергії.