Условия задания.

Идеальная тепловая машина работает по циклу Карно с молем нагре­того газа, взятым при начальном давлении P₁ и температуре нагревателя T₁. Начальный объем газа V₁ = 10 л. После первого изотермического рас­ширения газ занял объем V₂; после адиабатического расширения объем стал равен V₃ = 40 л.

Найти с помощью компьютерной модели:

1. к.п.д.  цикла;

2) температуру холодильника T₂;

3) четыре координаты P,V пересечения изотерм и адиабат с начала цикла.

Данные для конкретного варианта:

Вариант 1. P₁ = 499 кПа, T₁ = 600 K, V₂ = 12 л.

Вариант 2. P₁ = 499 кПа, T₁ = 600 K, V₂ = 14 л.

Вариант 3. P₁ = 499 кПа, T₁ = 600 K, V₂ = 18 л.

Вариант 4. P₁ = 457 кПа, T₁ = 550 K, V₂ = 14 л.

Вариант 5. P₁ = 457 кПа, T₁ = 550 K, V₂ = 16 л.

Вариант 6. P₁ = 457 кПа, T₁ = 550 K, V₂ = 20 л.

Вариант 7. P₁ = 416 кПа, T₁ = 500 K, V₂ = 16 л.

Вариант 8. P₁ = 416 кПа, T₁ = 500 K, V₂ = 18 л.

Вариант 9. P₁ = 416 кПа, T₁ = 500 K, V₂ = 23 л.

Вариант 10. P₁ = 374 кПа, T₁ = 450 K, V₂ = 18 л.

Вариант 11. P₁ = 374 кПа, T₁ = 450 K, V₂ = 22 л.

Вариант 12. P₁ = 374 кПа, T₁ = 450 K, V₂ = 27 л.

Контрольные вопросы.

1. Объясните, какие термодинамические процессы составляют цикл Карно.

2. Чему равен к.п.д. цикла Карно?

3. Объясните, почему к.п.д. цикла Карно максимален?

Лабораторная работа № 9. Изотермы реального газа.

1. Определения.

Фазой системы называется физически однородная часть вещества, отделенная от других частей границей раздела.

Вещество может находиться в различных агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном. Переход из твердого состояния в жидкое (плавление) или газообразное (возгонка, или сублимация), а также обратный переход (кристаллизация), переход из жидкого состояния в газообразное (испарение) и обратный (конденсация) относятся к фазовым переходам.

Все реальные газы способны при определен­ных условиях превращаться в жидкость. Поэтому изотермы реальных га­зов сильно отличаются от изотерм идеальных газов.

Если при испарении молекул вылетает из жидкости больше, чем возвращается обратно, то пар называется ненасыщенным. При отводе молекул пара от поверхности процесс испарения будет продолжаться до полного превращения жидкости в пар.

В закрытом сосуде жидкость и ее пар могут находиться в состоянии динамического равновесия, когда число молекул, вылетающих из жидко­сти, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара. Такую систему называют двухфазной. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

Давление насыщенного пара P_S(T) зависит только от его температуры и не зависит от его объема.

Поэтому изотермы реального газа на плоскости P,V содержат гори­зонтальные участки, соответствующие двухфазной системе.

2. Диаграммы состояний насыщенных и ненасыщенных паров.

При описании свойств насыщенных и ненасыщенных паров весьма по­лезным и удобным оказывается представление состояния паров с помощью изотерм в плоскости P, V. Такие диаграммы отличаются большой нагляд­ностью и позволяют дать более полное описание свойств многофазных систем.

Изотермы показывают зависимость давления в системе пар-жидкость от её объема при постоянной температуре. Состояния справа от горизонтального участка соответствуют ненасыщенному пару (большой объем). При сжатии такого пара увеличивается его плотность и растет давление, так же, как в идеальном газе.

При некотором значении Р и V (начало горизонтального участка) пар становится насыщенным и при дальнейшем сжатии начинается его конденсация. На горизонтальном участке изотермы наблюдается существование двух фаз – насыщенного пара и жидкости. При сжатии всё больше пара превращается в жидкость и давление в системе остается постоянным.

Переход горизонтального участка изотермы в резко возрастающий слева говорит о том, что весь пар превратился в жидкость, которая практически несжимаема (небольшое уменьшение объема достигается значительным увеличением давления).

Совокупность точек, соответствующих краям горизон­тального участка изотерм, которая изображена на рисунке в виде коло­колообразной кривой, выделяет в плоскости P,V область существования двухфазной системы и отделяет ее от областей однородных состояний вещества.

Правая, относительно максимума, часть этой колоколообразной кривой описывает состояния насыщенного пара и одновременно представ­ляет собой кривую конденсации. Изотермическое расширение насыщен­ного пара из состояния на кривой конденсации делает пар ненасыщенным, и изотермическое расширение такого пара протекает по расположенной справа от кривой конденсации красной кривой, не отличающейся от изо­термы обычного газа. Наоборот, изотермическое сжатие пара из того же состояния не меняет его давления, значение которого равно максимально возможному для данной жидкости при данной температуре, но вызывает выпадение росы и появление жидкости.

Левая часть колоколообразной кривой представляет собой кривую, на которой заканчивается конденсация пара при изотермическом сжатии и остается одна жидкость. Поскольку в этой точке начинается испарение жидкости при изотермическом расшире­нии, то ее называют кривой испарения. Крутой рост давления при уменьшении объема жидкости на красной кривой левее кривой испарения соответствует малой сжимаемости жидкостей.