21. Оборотні процеси. Цикли. Теплові двигуни і холодильні машини. Друге начало термодинаміки.

Оборотні процеси. Оборотним процесом називається процес, який можна провести у зворотному напрямку таким чином, щоб система пройшла через ті самі стани, що й при прямій ході, але в зворотній послідовності. Оборотні процеси мають таку властивість: якщо при прямій ході система отримувала теплоту dQ і виконувала роботу dA, то при зворотній ході система віддає тепло dQ= dQ і над нею виконується робота dA= dA. Оборотні процеси - це такі кругові процеси, після яких система повертається до початкового стану і при цьому в оточуючому середовищі не відбуваються зміни. Слід зазначити, що оборотні процеси - це певна ідеалізація реальних процесів. Робота під час такого процесу виконується дуже повільно, без будь-яких втрат і тому вона максимальна. Прикладом оборотного процесу є квазістатичні процеси. Якщо ж систему можна повернути у вихідний стан через ту ж саму послідовність станів, через яку пройшла система у прямому напрямку, такий процес називають оборотним у вузькому розумінні. Існує й необоротний процес – це такий процес, який проходить у прямому і зворотному напрямку, створюючи зміни у навколишньому середовищі. Простіше із прикладами необоротних процесів. Це реальні процеси, що відбуваються у навколишньому середовищі

Термодинамічні цикли - кругові процеси в термодинаміці, тобто такі процеси, в ​​яких початкові і кінцеві параметри, що визначають стан робочого тіла ( тиск, обсяг, температура, ентропія), збігаються. Термодинамічні цикли є моделями процесів, що відбуваються в реальних теплових машинах для перетворення тепла в механічну роботу, а також для відбирання тепла від більш холодного тіла і передачі його більш гарячому (охолодження) під дією механічної роботи. Я знайшов такі цикли:

-Цикл Отто - ідеалізований термодинамічний цикл, на якому ґрунтується робота чотиритактного двигуна внутрішнього згорання поршневого типу. Цикл складається із двох адіабатичних та двох ізохоричних процесів. Максимальний коефіцієнт корисної дії цикла Отто задається формулою: , де r - коефіцієнт стиснення, а , та — теплоємності газу при постійному тиску й при постійній температурі, відповідно.

-Ци́кл Сті́рлінга — цикл праці теплового двигуна. Цикл складається з чотирьох стадій:

• 

1. Робоча речовина розширюється при постійній температурі

• 

2. Робоча речовина охолоджується при постійному об’ємі

• 

3. Робоча речовина стискається при постійній температурі

• 

4. Робоча речовина нагрівається при постійному об’ємі

Коефіцієнт корисної дії (ККД) для двигуна, що працює за циклом Стирлінга залежить лише від різниці температур нагрівача і холодильника .

-Цикл Карно, про нього нище…

Теплови́й двигу́н — машина для перетворення теплової енергії в механічну роботу. Тепловий двигун і є посередником між нагрівачем і охолоджувачем. Основним елементом теплового двигуна є робоча речовина. Робоча речовина отримує тепло від нагрівача, переходить до охолоджувача й віддає там частину цього тепла. Охолоджена робоча речовина повертається до нагрівача, і так починається наступний цикл. В залежності від того в яких умовах відбувається отримання і передача тепла виділяють різні робочі цикли теплових двигунів. Холодильна машина - пристрій, що служить для відводу теплоти від охолоджуваного тіла при температурі нижчій, ніж температура навколишнього середовища.

Дру́гий закон термодина́міки — один із основних законів фізики, закон про неспадання ентропії в ізольованій системі. Він накладає обмеження на кількість корисної роботи, яку може здійснити тепловий двигун. Для системи із сталою температурою існує певна функція стану S — ентропія, яка визначається таким чином, що

1. Адіабатичний перехід із рівноважного стану A в рівноважний стан B можливий лише тоді, коли

.

2. Приріст ентропії у квазістаціонарному процесі дорівнює

,

де T — температура.

Іншими словами: Неможливо перетворити теплоту в роботу, не виконуючи ніякої іншої дії крім охолодження системи, або ж Неможливо створити вічний двигун 2-го роду.

Цикл Карно́ — ідеальний термодинамічний цикл. Цикл складається з чотирьох стадій:

1. Робоча речовина нагрівається за сталої температури (ізотермічний процес).

2. Робоча речовина розширюється за сталої ентропії (адіабатичний процес).

3. Робоча речовина охолоджується за сталої температури (ізотермічний процес).

4. Робоча речовина стискається за сталої ентропії (адіабатичний процес).

Коефіцієнт корисної дії для двигуна, що працює за циклом Карно, залежить лише від різниці температур нагрівача і охолоджувача .

Для збільшення коефіцієнта корисної дії циклу Карно необхідно зробити температуру нагрівача якомога більшою, а температуру охолоджувача — якомога меншою.

29 Електроємністю (ємністю) – провідника С називають величину, що дорівнює відношенню заряду q, наданого провіднику до його потенціалу :

Одиниця електричної ємності в СІ – фарад, [C] = Кл/В=Ф.

Система з двох провідників розділених шаром діелектрика, товщина якого мала порівняно з розмірами провідників, називається конденсатором. Конденсатор бувають плоскі, циліндричні, сферичні.

Електроємність плоского конденсатора:

S – площа пластини, d – відстань між пластинами, ? – діелектрична проникність діелектрика.

Ємність конденсатора з п пластин:

Конденсатори з’єднують у батареї паралельно або послідовно.

1. Паралельне з’єднання (Рис. 31):

Напруги на всіх конденсаторах однакові:

U₁=U₂=…=U_n

q = q ₁+ q₂ + … + q_n

Тоді С_пар = С₁+С₂+…+С_n

2. Послідовне з’єднання (Рис. 32):

Заряди усіх конденсаторів при послідовному їх з’єднанні однакові.

Загальна ємність:

Потенціальна енергія зарядженого конденсатора:

Для плоского конденсатора:

Густина енергії електричного поля:

 

Енергія конденсатора обумовлена тим, що електричне поле між його обкладками має енергію. Напруженість E поля пропорційна до напруги U , тому енергія електричного поля пропорційна до квадрата його напруженості.

30 Електричний струм - упорядкований нескомпенсованих рух вільних електрично заряджених частинок, наприклад, під впливом електричного поля. Такими частками можуть бути: в провідниках - електрони, у електролітах - іони (катіони і аніони), в газах - іони і електрони, у вакуумі при певних умовах - електрони, в напівпровідниках - електрони і дірки (електронно-діркова провідність).

Електричний струм широко використовується в енергетиці для передачі енергії на відстані.

У медицині використовують електричний струм в реанімації, електростимуляції певних областей головного мозку. Електричні розряди застосовуються для лікування таких захворювань, як хвороба Паркінсона і епілепсія, також для електрофорезу. Водій ритму, стимулюючий серцевий м'яз імпульсним струмом, використовують при брадикардії.

Характеристики електричного струму

Історично прийнято, що напрямок струму збігається з напрямком руху позитивних зарядів в провіднику. При цьому, якщо єдиними носіями струму є негативно заряджені частинки (наприклад, електрони в металі), то напрям струму протилежно напрямку руху електронів.

Швидкість спрямованого руху частинок в провідниках залежить від матеріалу провідника, маси і заряду частинок, температури, доданої різниці потенціалів і становить величину, набагато меншу швидкості світла. Незважаючи на це, швидкість поширення власне електричного струму дорівнює швидкості світла, тобто швидкості розповсюдження фронту електромагнітної хвилі.

Розрізняють постійний (англ. постійний струм, DC) і змінний (англ. змінного струму, AC) струм.

Постійний струм - струм, напрямок і величина якого слабо змінюється в часі.

Змінний струм - це струм, напрямок і величина якого змінюється в часі. Серед змінних струмів основним є струм, величина якого змінюється за синусоїдальним законом. У цьому випадку потенціал кожного кінця провідника змінюється по відношенню до потенціалу іншого кінця провідника поперемінно з позитивного на негативний і навпаки, проходячи при цьому через всі проміжні потенціали (включаючи і нульовий потенціал). В результаті виникає струм, безперервно змінює напрямок: при русі в одному напрямку він зростає, досягаючи максимуму, іменованого амплітудним значенням, потім спадає, на якийсь момент стає рівним нулю, потім знову зростає, але вже в іншому напрямку і також досягає максимального значення , спадає, щоб потім знову пройти через нуль, після чого цикл всіх змін поновлюється.

Час, за який відбувається один такий цикл (час, що включає зміну струму в обидві сторони), називається періодом змінного струму. Кількість періодів, що здійснюється струмом за одиницю часу, називається частота. Частота вимірюється в герцах, один герц відповідає одному періоду в секунду.

Змінний струм високої частоти витісняється на поверхню провідника, цей ефект називається скін-ефектом.

Умови виникнення електричного струму Електричний струм має визначений напрям. За напрям струму приймають напрям руху позитивно заряджених частинок. Рух частинок ми не бачимо. Про наявність електричного струму можна судити по тим діям чи явищам, які його супроводжують:

• теплова дія (провідник по якому протікає струм, нагрівається);

• хімічна дія (електричний струм змінює хімічний склад провідника, наприклад, виділяє його складові частини, явище електролізу);

• магнітна дія (cтрум впливає на сусідні струми і намагнічені тіла);

• світлова дія (електрична лампа)

Для тривалого існування в речовині електричного струму необхідні дві умови:

• наявність вільних заряджених частинок;

• наявність сил, які діють на ці частинки у певному напрямі.

31 Закон Ома для ділянки електричного кола

Найпростіше електричне коло може складатися з джерела струму, споживача опору R, з’єднувальних провідників, амперметра і вольтметра. Закон Ома для ділянки електричного кола: на деякій ділянці кола сила струму I прямо пропорційна напрузі U і обернено пропорційна опору R ділянки: . 

32 Електрорушійна сила  — кількісна міра роботи сторонніх сил із переміщення заряду, характеристика джерела струму.

Позначається здебільшого літерою , вимірюється в системі СІ у Вольтах. Зазвичай електрорушійна сила скорочується в текстах до е.р.с.

Електрорушійна сила ділянки кола дорівнює енергії, яку отримує одиничний заряд, пройшовши цю ділянку кола.

Для замкненого кола

,

де  — стороння сила.