Добавлен: 30.11.2023
Просмотров: 107
Скачиваний: 5
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФГАОУ ВО «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ИНСТИТУТ МАТЕМАТИКИ И ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине
Молекулярная физика
на тему:
«Термодинамический цикл Отто и его применения»
Выполнила:
Русецкая Ксения Алексеевна
студентка 2 курса
группы ФИЗ-б-о-19-1
________________________
(подпись)
Руководитель работы:
Нечаева Оксана Александровна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей и теоретической физики
Работа допущена к защите _______________________ ______________
(подпись руководителя) (дата)
Работа выполнена и
защищена с оценкой _________________________ Дата защиты______________
Члены комиссии: _______________________ __________ _______________
(должность) (подпись) (И.О. Фамилия)
___________________________ __________ _______________
(должность) (подпись) (И.О. Фамилия)
___________________________ __________ _______________
(должность) (подпись) (И.О. Фамилия)
Ставрополь, 2020
СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………………………………………..……....3-4
-
Второе начало термодинамики. ……….................................................5-8 -
Базовые термодинамические циклы. Идеальный цикл………..…......9-18 -
Цикл Отто и его применения …………………………………..……19-22
Заключение………………………………………………………..……………...23
Список литературы………………………………………………………………24
ВВЕДЕНИЕ
Термодинамические циклы — круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура, энтропия), совпадают. Термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых машинах для превращения тепла в механическую работу.
Компонентами любой тепловой машины являются рабочее тело, нагреватель и холодильник (с помощью которых меняется состояние рабочего тела).
Паровые машины были распространены в Англии еще во второй половине XVIII века. После наполеоновских войн они во все возрастающем числе появляются на континенте Европы. Всякая закрытая система, совершающая круговой термодинамический процесс, это по существу тепловая или холодильная машина. Поэтому исследования этих машин выходят далеко за рамки собственно теплотехнических вопросов и представляют общий и огромный термодинамический интерес.
На первых порах термодинамика больше выиграла от изучения тепловых машин, чем эти машины от развития термодинамики. Зато при создании холодильных машин термодинамика уплатила свой долг технике.
Сейчас разработано большое количество разнообразных тепловых машин, в которых реализованы различные термодинамические циклы. Тепловыми машинами являются двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, различные тепловые турбины и т.д.
Таким образом выбранная тема курсовой работы «Термодинамический цикл Отто и его применения» является актуальной.
Исходя из вышесказанного, целью данной курсовой работы является: изучение специфики термодинамического цикла Отто и его применений
Задачи:
1.Изучить второй закон термодинамики
2.Рассмотреть основные термодинамические циклы;
3.Проанализировать применения цикла Отто.
1. Физические процессы в полупроводниках
Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.
Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю (невозможно построить замкнутый цикл, проходящий через точку с нулевой температурой).
Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.
Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики:
-
Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» (такой процесс называется процессом Клаузиуса). -
Постулат Томсона (Кельвина): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона).
Эквивалентность этих формулировок легко показать. В самом деле, допустим, что постулат Клаузиуса неверен, то есть существует процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от более холодного тела к более горячему. Тогда возьмем два тела с различной температурой (нагреватель и холодильник) и проведем несколько циклов тепловой машины, забрав тепло Q1 у нагревателя, отдав Q2 холодильнику и совершив при этом работу A= Q1- Q2 . После этого воспользуемся процессом Клаузиуса и вернем тепло Q2 т холодильника нагревателю. В результате получается, что мы совершили работу только за счет отъёма теплоты от нагревателя, то есть постулат Томсона тоже неверен.
С другой стороны, предположим, что неверен постулат Томсона. Тогда можно отнять часть тепла у более холодного тела и превратить в механическую работу. Эту работу можно превратить в тепло, например, с помощью трения, нагрев более горячее тело. Значит, из неверности постулата Томсона следует неверность постулата Клаузиуса. Таким образом, постулаты Клаузиуса и Томсона эквивалентны.
Другая формулировка второго начала термодинамики основывается на понятии энтропии:
-
«Энтропия изолированной системы не может уменьшаться» (закон неубывания энтропии).
Такая формулировка основывается на представлении об энтропии как о функции состояния системы, что также должно быть постулировано.
Второе начало термодинамики в аксиоматической формулировке Рудольфа Юлиуса Клаузиуса (R. J. Clausius, 1865) имеет следующий вид:
-
Для любой квазиравновесной термодинамической системы существует однозначная функция термодинамического состояния S=S(T,x,N), называемая энтропией, такая, что ее полный дифференциал
∂S=δQ/T.
В состоянии с максимальной энтропией макроскопические необратимые процессы (а процесс передачи тепла всегда является необратимым из-за постулата Клаузиуса) невозможны.
С точки зрения статистической физики второе начало термодинамики имеет статистический характер: оно справедливо для наиболее вероятного поведения системы. Существование флуктуаций препятствует точному его выполнению, однако вероятность сколь-нибудь значительного нарушения крайне мала.
Клаузиус, рассматривая второе начало термодинамики, пришёл к выводу, что энтропия Вселенной как замкнутой системы стремится к максимуму, и в конце концов во Вселенной закончатся все макроскопические процессы. Это состояние Вселенной получило название «тепловой смерти». С другой стороны, Больцман высказал мнение, что нынешнее состояние Вселенной — это гигантская флуктуация, из чего следует, что большую часть времени Вселенная все равно пребывает в состоянии термодинамического равновесия («тепловой смерти»).
По мнению Ландау, ключ к разрешению этого противоречия лежит в области общей теории относительности: поскольку Вселенная является системой, находящейся в переменном гравитационном поле, закон возрастания энтропии к ней неприменим.
Поскольку второе начало термодинамики (в формулировке Клаузиуса) основано на предположении о том, что вселенная является замкнутой системой, возможны и другие виды критики этого закона. В соответствии с современными физическими представлениями мы можем говорить лишь о наблюдаемой части вселенной. На данном этапе человечество не имеет возможности доказать ни то, что вселенная есть замкнутая система, ни обратное.
Термодинамические циклы — круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура, энтропия), совпадают.
Термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых машинах для превращения тепла в механическую работу.
Компонентами любой тепловой машины являются рабочее тело, нагреватель и холодильник (с помощью которых меняется состояние рабочего тела).
Обратимым называют цикл, который можно провести как в прямом, так и в обратном направлении в замкнутой системе. Суммарная энтропия системы при прохождении такого цикла не меняется. Единственным обратимым циклом для машины, в которой передача тепла осуществляется только между рабочим телом, нагревателем и холодильником, является Цикл Карно.
Существуют также другие циклы (например, цикл Стирлинга и цикл Эрикссона), в которых обратимость достигается путём введения дополнительного теплового резервуара — регенератора. Общим (т.е. указанные циклы частный случай) для всех этих циклов с регенерацией является Цикл Рейтлингера. Можно показать, что обратимые циклы обладают наибольшей эффективностью.
2. Базовые термодинамические циклы. Идеальный цикл
«Никто не сомневается, что теплота может быть причиной движения, что она даже обладает большой двигательной силой: паровые машины, ныне столь распространенные, являются тому очевидным доказательством.
Теплоте должны быть приписаны те колоссальные движения, которые поражают наш взгляд на земной поверхности; она вызывает движения атмосферы, поднятие облаков, падение дождя и других осадков, заставляет течь потоки воды на поверхности земного шара, незначительную часть которых человек сумел применить в свою пользу; наконец, землетрясения и вулканические извержения также имеют причиной теплоту.
Из этих огромных резервуаров мы можем создавать движущую силу, нужную для наших потребностей; природа, повсюду предоставляя горючий материал, дала нам возможность всегда и везде получать теплоту и сопровождающую ее движущую силу. Развивать эту силу и приспособлять ее для наших нужд — такова цель тепловых машин. Изучение этих машин чрезвычайно интересно, так как их значение весьма велико и их распространение растет с каждым днем. По-видимому, им суждено сделать большой переворот в цивилизованном мире».
Когда Сади Карно писал эти строки (1824 г.), принцип эквивалентности не был еще открыт. Не было еще известно, что любая закрытая система, совершающая круговой термодинамический процесс, является, по сути дела, или тепловой машиной (система суммарно производит работу над источником работы), или холодильной машиной (источник работы суммарно производит работу над системой).
Карно по образованию инженер и, как инженер, был сведущ в расчетах водяных двигателей. Он исключал возможность построить вечный двигатель. Поэтому он не допускал мысли о производстве тепловыми машинами из ничего движущей силы (работы) и должен был искать, что, же является эквивалентом произведенной работы.
Нам известно (но не было известно Карно), что суммарное количество работы, произведенной тепловой машиной над источником работы, имеет своим эквивалентом равное количество теплоты, суммарно полученной машиной. Известно также, что источник работы может быть один. Поэтому тепловая машина может на одних этапах кругового процесса производить работу над источником работы; тот же источник может производить работу над машиной на других этапах кругового процесса. Но пока неизвестно, может ли тепловая машина получать теплоту от источника теплоты на одних этапах кругового процесса и отдавать теплоту этому, же источнику на других этапах кругового процесса. Суть теории Карно в том и состоит, что для производства работы тепловой машиной необходимы, по крайней мере, два источника теплоты с различными температурами.
Эта суть теории Карно получила впоследствии название принципа Карно.
С. Карно в 1824 г., была поставлена и решена проблема возможного повышения коэффициента полезного действия тепловых двигателей. Относительно КПД тепловых машин, Карно установил две теоремы, которые совместно эквивалентны второму началу термодинамики. Докажем эти теоремы, исходя из второго начала.