ФГБОУ ВПО

«Воронежский государственный технический университет»

Кафедра физики

II начало термодинамики. Тепловые двигатели

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по физике

для студентов всех технических направлений

и специальностей

очной формы обучения

Воронеж 2015

Составитель канд. физ.-мат. наук Н.В. Агапитова

УДК 681.3; 53

II начало термодинамики. Тепловые двигатели: методические указания по физике для студентов всех технических направлений и специальностей очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Н.В. Агапитова. Воронеж, 2015. 63 c.

Методические указания содержат изложение теоретических вопросов по теме «II начало термодинамики. Тепловые двигатели» в курсе общей физики, обстоятельный подбор примеров решения задач на эту тему и список задач, идентифицированных по степени трудности, для самостоятельного решения. Материал представлен в сжатой форме и на достаточном научно-методическом уровне.

Методические указания предназначены, для студентов 1 курса всех направлений и специальностей очной формы обучения.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержатся в файле 2нач.терм.тепловые двигатели.doc.

Ил. 40. Библиогр.: 11 назв.

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. А.В. Бугаков

Ответственный за выпуск зав. кафедрой канд. физ.-мат. наук, проф. Т.Л. Тураева

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета.

 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет», 2015

Предисловие

Методические указания представляют собой теоретические и практические материалы по достаточно сложной теме курса общей физики « II начало термодинамики. Тепловые двигатели».

Методические указания содержат всестороннюю разработку данной темы.

В лаконичной форме и в тоже время на достаточном научно-методическом уровне изложены вопросы теории идеального цикла Карно, рассмотрены различные типы существующих технических циклов тепловых двигателей.

Наряду с этим обстоятельно представлены примеры решения задач на расчёт КПД различных типов тепловых двигателей.

Кроме того, в методических указаниях предложен подробный подбор задач для самостоятельного решения студентами. Задачи квалифицированы по уровню сложности на три типа: базовый – А, повышенный – В и высокий – С.

Данные методические указания могут быть с успехом использованы как преподавателями, так и студентами, проработка этих материалов будет способствовать успешному усвоению студентами данных тем учебной программы курса общей физики.

Наличие напечатанных подробных методических разработок по темам практических занятий позволит студентам в индивидуальной работке в своем темпе усвоить материал в удобное им время в домашней обстановке, облегчит им работу, сделает её комфортнее и результативнее.

1. Теоретическая часть

1. Состояние термодинамической системы. Процесс

Термодинамической системой называется совокупность макроскопических тел, которые могут обмениваться энергией между собой и с внешней средой. В частности, система может состоять из одного твёрдого, жидкого или газообразного тела.

Термодинамическая система может находиться в различных состояниях, различающихся температурой, давлением, объёмом, плотностью и т.д. Подробные величины, характеризующие состояние системы, называется параметрами состояния.

Состояние, в котором хотя бы один из параметров не имеет определённого значения, называется неравновесным.

Состояние термодинамической системы будет равновесным, если все параметры состояния имеют определённые значения, не изменяющиеся с течением времени.

Термодинамические системы, которые не обмениваются с внешней средой ни энергией, ни веществом называются изолированными (или замкнутыми).

Термодинамическим процессом называется переход системы из одного состояния в другое.

Бесконечно медленный процесс, состоящий из последовательности равновесных состояний из последовательности равновесных состояний, называется равновесным или квазистационарным.

Процессы бывают обратимыми и необратимыми. Обратимыми называется процесс, который может быть проведён в обратном направлении через те же состояния, что и при этом ни в системе, ни в окружающих её телах не остаётся никаких изменений.

Чисто механические процессы всегда обратимы.

При наличии теплового движения наблюдаются, как правило, необратимые процессы. Но нельзя считать, что любой тепловой процесс в принципе необратим. Например, к обратимым можно отнести процессы медленного адиабатического или изотермического расширения (сжатия).

Е сли по координатным осям откладывать значения каких-либо двух параметров (например, P и V или P и T и т.д.), то равновесный процесс может быть изображён на координатной плоскости соответствующей кривой (Рис. 1.1). Необратимые процессы, протекающие между двумя равновесными состояниями, принято условно изображать штриховыми линиями.

Круговым процессом, или циклом, называется процесс, при котором система проходит через некоторую последовательность промежуточных состояний и возвращается в первоначальное состояние.

Р абота, совершаемая при круговом процессе численно равна площади охватываемой замкнутой кривой, изображающей цикл на плоскости P-V (Рис. 1.2). На участке цикла 1а2 работа А₁ положительна и равна площади , на участке 1б2 работа А₂ отрицательная и равна площади - . Следовательно, работа за цикл А=А₁+А₂ численно равна площади , охватываемой кривой и будет положительной при прямом цикле, т.е. таком, который совершается по часовой стрелке, и отрицательна при обратном, который происходит соответственно против часовой стрелки.