Сегодня на уроке

 Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей. КПД двигателей.

Тепловой двигатель

Двигатель, в котором происходит превращение внутренней энергии топлива, которое сгорает, в механическую работу.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела (газ, жидкость и др.) и холодильника. В основе работы двигателя лежит циклический процесс (это процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние).

Прямой цикл теплового двигателя

Общее свойство всех циклических (или круговых) процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q₁ (происходит расширение) и отдает холодильнику количество теплоты Q₂, когда возвращается в исходное состояние и сжимается. Полное количество теплоты Q=Q₁-Q₂, полученное рабочим телом за цикл, равно работе, которую выполняет рабочее тело за один цикл.

Обратный цикл холодильной машины

При обратном цикле расширение происходит при меньшем давлении, а сжатие - при большем. Поэтому работа сжатия больше, чем работа расширения, работу выполняет не рабочее тело, а внешние силы. Эта работа превращается в теплоту. Таким образом, в холодильной машине рабочее тело забирает от холодильника некоторое количество теплоты Q₁ и передает нагревателю большее количество теплоты Q₂.

Коэффициент полезного действия

Прямой цикл:

Показатель эффективности холодильной машины:

Цикл Карно

В тепловых двигателях стремятся достигнуть наиболее полного превращения тепловой энергии в механическую. Максимальное КПД.

На рисунке изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Французский физик С.Карно разработал работу идеального теплового двигателя. Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре. Поскольку двигатель Карно — машина чисто теоретическая, то есть идеальная, силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю. Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл называют циклом Карно.

участок 1-2: газ получает от нагревателя количество теплоты Q₁ и изотермически расширяется при температуре T₁
участок 2-3: газ адиабатически расширяется, температура снижается до температуры холодильника T₂
участок 3-4: газ экзотермически сжимается, при этом он отдает холодильнику количество теплоты Q₂
участок 4-1: газ сжимается адиабатически до тех пор, пока его температура не повысится до T₁.
Работа, которую выполняет рабочее тело - площадь полученной фигуры 1234.

Функционирует такой двигатель следующим образом:

1. Сначала цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и идеальный газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара некое количество тепла.
2. Затем цилиндр окружается идеальной теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется, и газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.
3. На третьей фазе теплоизоляция снимается, и газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.
4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией, и газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется и цикл повторяется вновь с первой фазы.

КПД цикла Карно не зависит от вида рабочего тела

для холодильной машины

В реальных тепловых двигателях нельзя создать условия, при которых их рабочий цикл был бы циклом Карно. Так как процессы в них происходят быстрее, чем это необходимо для изотермического процесса, и в то же время не настолько быстрые, чтоб быть адиабатическими.

???Вопросы

1. Что называют тепловым двигателем?
2. Как устроены все тепловые двигатели?
3. Что является рабочим телом двигателя?
4. Что происходит с газом при совершении работы?
5. Что является холодильником в двигателе?
6. Какой величиной характеризуется работа двигателя?
7. Что называют КПД двигателя? Формула?
8. Может ли КПД любого теплового двигателя быть равным 100%?
9. Кто из ученых получил новую формулу для расчета максимального КПД?
10. Формула максимального КПД двигателя?

Сегодня на уроке

 Итоги успеваемости

 за первое полугодие 2025/2026 учебный год

Сегодня на уроке

 

Испарение и конденсация. Насыщенный пар. Влажность воздуха.

???Вопросы

1. Что называют испарением?
2. От каких факторов зависит испарение?
3. Что называют конденсацией?
4. Какой пар называют насыщенным?
5. Что означает динамическое равновесие?
6.  Какую роль играет испарение в жизни человека?

???Вопросы

1. Что называют влажностью воздуха?
2. Как образуется влага в воздухе?
3. Что называют атмосферным давлением?
4. Что называют парциальным давлением?
5. Какими величинами характеризуется влажность воздуха?
6. Какими приборами измеряют влажность воздуха?
7. В каких единицах измеряется влажность воздуха?
8. Какая влажность воздуха считается комфортной для человека?
9. Какова роль влажности воздуха?

Взаимные превращения жидкостей и газов - это процессы перехода вещества из одного состояния в другое.

Испарение

Испарение – это процесс перехода жидкости в пар (газообразное состояние).
Испарение происходит при любой температуре жидкости.

Пар - это газообразное состояние вещества, в которое переходят жидкости при испарении.

Молекулы жидкости при тепловом движении движутся с разными скоростями. Самые быстрые молекулы способны преодолеть притяжение остальных молекул и  выскочить   из жидкости.
Эти молекулы  образуют   пары в воздухе.

Скорость испарения жидкости зависит от:

- температуры  (чем выше температура жидкости,  тем большей скоростью обладают ее молекулы)
- от площади поверхности испаряющейся жидкости (чем больше площадь поверхности, тем большее число быстрых молекул покидает жидкость)
-  от наличия ветра над поверхностью жидкости

Так как при испарении жидкость покидают наиболее быстрые молекулы, обладающие соответственно большей кинетической энергией,  средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшается, значит  температура жидкости при испарении  понижается.

Насыщенный пар

Рассмотрим процесс образования  насыщенного пара:

В сосуд наливаем жидкость и закрываем его. Жидкость в сосуде начинает испаряться, и плотность пара над жидкостью в сосуде увеличивается.
 В результате теплового движения часть молекул водяного пара возвращается в жидкость. Чем больше плотность водяных паров в сосуде, тем большее число молекул пара возвращается в жидкость.

Через некоторое время в сосуде устанавливается динамическое равновесие  между жидкостью и паром:
 число молекул, покинувших жидкость за какой-то отрезок времени,  становится равным числу молекул, возвращающихся в жидкость за такой же отрезок времени.

В сосуде образовался насыщенный пар.

Насыщенный пар – это пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.

Давление насыщенного пара

Давление насыщенного пара это давление пара, при котором  жидкость  находится в равновесии  со своим паром.

P=nkT

где
n - концентрация молекул пара
k - постоянная Больцмана
Т - температура

Давление и концентрация молекул (плотность)  насыщенного пара  при постоянной температуре не зависят от  занимаемого паром объема.

Давление насыщенного пара зависит только от его температуры.

Давление насыщенного пара  растет как вследствие  повышения температуры жидкости, так и вследствие увеличения  концентрации молекул пара.

Ненасыщенный пар

Пар называется ненасыщенным, если его давление меньше давления насыщенного пара при данной температуре.

Давление ненасыщенного пара зависит от его объема:
при уменьшении объема давление увеличивается, а при увеличении объема - уменьшается.

Кипение

Кипение - это процесс парообразования.

При нагревании жидкости   растворенный в жидкости газ  начинает собираться в пузырьки по всему объему жидкости.
В дальнейшем испарение происходит  не только с поверхности жидкости, но и внутрь пузырьков.
Внутри пузырьков образуется   насыщенный пар.
С повышением  температуры жидкости давление насыщенного пара в пузырьках   растет, что ведет к увеличению объема пузырьков.
Под действием выталкивающей силы пузырьки всплывают к поверхности жидкости, лопаются и выбрасывают пар.

Кипение жидкости начинается при температуре, когда давление насыщенного пара в пузырьках  становится равным давлению в жидкости.

Давление в жидкости =  гидростатическому давлению (давлению высоты столба жидкости) + внешнему атмосферному давлению.

Температурой кипения называется температура жидкости, при которой давление ее насыщенного пара равно или больше внешнего давления.

Температура кипения жидкости повышается с ростом внешнего атмосферного давления и понижается при его уменьшении.

Например:
В автоклавах для стерилизации медицинских инструментов создается повышенное давление,  и кипение воды происходит при температуре значительно выше 100С.
На высокогорье, где атмосферное давление ниже нормального, температура кипения воды меньше, чем 100С.

Для поддержания кипения к жидкости надо подводить теплоту, которая расходуется на парообразование, т.к. внутренняя энергия пара больше внутренней энергии жидкости такой же массы.

В процессе кипения температура жидкости остается постоянной.

Влажность воздуха

Влажность воздуха – это содержание водяного пара в воздухе.

Атмосферный воздух состоит из смеси газов и водяных паров.

Влажность воздуха характеризуется следующими величинами:


1. Абсолютная влажность воздуха – это масса водяных паров, содержащихся  в 1 куб. метре воздуха при данных условиях.

Абсолютная влажность воздуха может оцениваться:

а)  через   плотность  водяного пара в воздухе, тогда единицы измерения  – г/м3.
б) в  метеорологии -  через  парциальное давление водяного пара, тогда единицы измерения - мм рт. ст. или Па.

Парциальное давление водяного пара – это  давление, которое производил бы водяной пар, если бы остальные газы воздуха отсутствовали.


2. Относительная влажность воздуха -  это отношение парциального  давления водяного пара, содержащегося  в  воздухе при данной температуре,  к давлению насыщенного водяного пара при  той же  температуре.
Единицы измерения относительной влажности - %.

Y =P/P0*100%

где
р – парциальное давление водяного пара в воздухе   при температуре t
ро -  давление  насыщенного водяного пара  при той же температуре

В прогнозе погоды   указывается  величина относительной влажности воздуха в процентах!

Относительная влажность воздуха показывает как  близко  содержание водяных паров в воздухе к насыщению.
При относительной влажности 100% - в воздухе насыщенный водяной пар.

Прибор для измерения относительной влажности воздуха называется психрометром.

Сегодня на уроке

 Идеальный газ. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории.

Идеальный газ

Это несуществующая физическая модель газа, который состоит из большого числа молекул, размеры которых ничтожно малы по сравнению со средними расстояниями между ними. Молекулы такого газа можно считать материальными точками, это означает, что их вращательное и колебательное движения не принимаются во внимание. Движение молекул происходит без столкновений с другими молекулами, подчиняется законам Ньютона. Соударения молекул со стенками сосуда являются абсолютно упругими.

Параметры состояния газа

Давление, температура и объем - параметры состояния газа. Или их называют макропараметрами. Температура - внешняя характеристика скоростей частиц газа. Давление - внешняя характеристика соударений со стенками, например, сосуда. Объем - место, куда заключены частицы газа. Газ занимает весь предоставленный ему объем. Существуют еще внешние параметры, например тела или поля, действующие на газ из вне.

Микропараметры (маленькие, внутренние характеристики) газа - это параметры, которые мы не можем оценить без специальных экспериментов, например, скорость и направление движения каждой молекулы газа.

Состояние термодинамической системы, когда все ее параметры при неизменных внешних условиях не изменяются со временем, называют равновесным.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории

Уравнение связывает микропараметры и макропараметры (давление, объем и температуру) идеального газа.

Рассмотрим идеальный газ, который находится в кубическом сосуде. Каждая молекула упруго сталкивается со стенкой сосуда, при этом изменятся ее импульс. Столкновение всех молекул со стенкой на макроуровне ощущается как давление газа на сосуд. В формулах будут присутствовать средние значения, потому что какая-то молекула движется быстрее, какая-то помедленнее, для того, чтобы оценить примерную скорость, будем брать средние значения.

Основное уравнение мкт имеет вид

Средний квадрат скорости молекул

Средняя квадратичная скорость v_кв молекул это квадратный корень из среднего квадрата скорости

Средняя кинетическая энергия молекул

Можно вывести формулы

Температура

Это макропараметр, который характеризует способность тел к теплопередаче. Если два тела разной температуры контактируют, то произойдет переход энергии или передача теплоты от более горячего к холодному. Установится тепловое равновесие, все части будут одинаковой температуры.

Температура характеризует интенсивность движения частиц, поэтому связана со средней кинетической энергией частиц. Из опыта известно, что средняя кинетическая энергия молекул не зависит от вида газа и определяется температурой.

Связь между температурами по шкале Цельсия и по шкале Кельвина

???Вопросы

1. Какой газ называют идеальным?
2. Формула основного уравнения МКТ?
3. Между какими параметрами устанавливает связь основное уравнение МКТ?
4. Чем создается и от чего зависит давление идеального газа?
5. Запишите основное уравнение МКТ через кинетическую энергию движения молекул?
6. Как зависит давление идеального газа от температуры? Формула?

Упражнение 2

Сегодня на уроке

 Основные положения МКТ и их опытное обоснование. Масса молекулы. Молярная масса. Количество вещества.

Первое положение молекулярно-кинетической теории

Вещество состоит из частиц.

Молекула - это самая маленькая частица вещества, которая обладает его основными химическими свойствами.

Молекула состоит из атомов. Атом - наименьшая частица вещества, которая не делится при химических реакциях.

Многие молекулы состоят из двух или больше атомов, удерживаемых вместе химическими связями. Некоторые молекулы состоят из сотен тысяч атомов.

Второе положение молекулярно-кинетической теории

Молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении. Это движение не зависит от внешних воздействий. Движение происходит в непредсказуемом направлении из-за столкновения молекул. Доказательством являетсяброуновское движение частиц (открыто Р.Броуном 1827г). Частицы помещают в жидкость или газ и наблюдают их непредсказуемое движение из-за соударений с молекулами вещества.

Броуновское движение

Доказательством хаотического движения является диффузия - проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества. Например, запах освежителя воздуха мы ощущаем не только в том месте, где его распылили, но он постепенно перемешивается с молекулами воздуха во всей комнате.

Агрегатное состояние вещества

В газах среднее расстояние между молекулами в сотни раз превышает их размеры. В основном молекулы движутся поступательно и равномерно. После столкновений начинают вращаться.

В жидкостях расстояние между молекулами значительно меньше. Молекулы совершают колебательное и поступательное движения. Молекулы через малые промежутки времени скачкообразно переходят в новые положения равновесия (мы наблюдаем текучесть жидкости).

В твердых телах молекулы колеблются и очень редко перемещаются (только при увеличении температуры).

Третье положение молекулярно-кинетической теории

Между молекулами существуют силы взаимодействия, которые имеют электромагнитную природу. Эти силы позволяют объяснить возникновение сил упругости. Когда вещество сжимают, молекулы сближаются, между ними возникает сила отталкивания, когда внешние силы отдаляют молекулы друг от друга (растягивают вещество), между ними возникает сила притяжения.

Плотность вещества

Это скалярная величина, которая определяется по формуле

 

Плотность веществ - известные табличные значения

Химические характеристики вещества

Постоянная Авогадро N_A - число атомов, содержащихся в 12г изотопа углерода 

Количество вещества - это отношение числа элементов этого вещества к постоянной Авогадро

1 моль любого вещества содержит одинаковое число частиц, это число равно постоянной Авогадро.

Молярная масса M - это масса одного моля вещества

Если тело состоит из N молекул массой m₀, то масса тела

Концентрация частиц - это количество частиц в объеме

Можно вывести формулы

??? Вопросы

1. Назовите три положения МКТ?

2. Дайте определение диффузии?

3. Броуновское движение подтверждает, что...?

4. В каких агрегатных состояниях может находиться вещество?

5. Моль - это...?

6. Что называют количеством вещества? Как можно определить количество вещества?

7. Назовите единицу измерения количества вещества?

8. Что называют молярной массой вещества? Как по таблице Менделеева определить молярную массу вещества?

9. Назовите единицу измерения молярной массы вещества?

10. Какое число молекул содержится в одном моле любого вещества? Как это число называется?

Упражнение №1

ПРОВЕРЬ СЕБЯ