10 класс. Тема: "Цикл Карно"
статья по физике (10 класс) на тему

10 класс. Тема: «Цикл  Карно»

Некрасов Александр Григорьевич,  учитель физики, к.х.н.

Статья отнесена к разделу: Преподавание физики.

Тема: «Цикл Карно».

Форма: урок-лекция.

Цели:

1. Развивать у учеников интерес к техническому прогрессу, уважение к научным достижениям ученых и инженеров.
2. Изучить принцип работы идеального теплового двигателя, работающего по замкнутому циклу Карно.
3. Показать значимость применения тепловой машины в жизни человека.

        При соприкосновении тел с различной температурой T1 и T2 более горячее тело (в дальнейшем нагреватель) передаст более холодному (холодильник) некоторое количество

тепла Q. При этом, естественно, уменьшается интенсивность хаотических тепловых движений молекул горячего тела. В свою очередь, интенсивность молекулярного движения в холодном теле возрастает. Процесс перехода тепла от горячего тела к холодному необратим и можно ожидать сколь угодно долго и ни разу не обнаружить случая, когда (для систем с достаточно большим числом молекул) тепло само собой передастся от более холодного тела к более горячему. Возникает проблема, а нельзя ли некоторую часть передаваемого тепла превратить в работу, т.е. за счет энергии хаотических тепловых движений создать необходимые для техники направленные механические движения макроскопических тел (машин, механизмов). Сразу очевидно, что при этом нельзя превратить в работу все отнятое от нагревателя тепло, а лишь некоторую его часть ηQ,  где η есть так называемый коэффициент полезного действия теплового двигателя (КПД).

Как показывает практика, первые такие тепловые двигатели ХIX века (а это паровая машина) имели весьма низкий КПД, < 10%. Потребовалось тогда выяснить причину столь низких значений КПД, дело ли в конкретных несовершенствах разработанных машин, или достижение более высоких значений КПД невозможно вообще и противоречит законам физики. Ответ на этот вопрос, еще до полной разработки теоретических основ статистической физики, был получен французским инженером Сади Карно, представившим мысленно идеальную циклическую работу теплового двигателя и подсчитавшего величину максимально возможного значения КПД идеального двигателя, если в качестве рабочего тела используется идеальный газ. Весьма прозорливо С. Карно сконструировал свой идеальный цикл из двух изотерм и двух адиабат – процессов полностью обратимых. Итак рассмотрим ц и к л  К а р н о  , в котором участвуют четыре тела: рабочее тело (идеальный газ), нагреватель с температурой T1, холодильник с температурой T2 и поршень. На первом участке цикла идеальный газ приводится в

соприкосновение с нагревателем и при возможно малом перепаде температур изотермически нагревается, получая некоторое количество тепла Q1 и превращая его в работу расширения. Затем на втором участке рабочее тело отключается от нагревателя и, адиабатически расширяясь, производит еще дополнительную работу за счет уменьшения своей внутренней энергии и понижения температуры до значения бесконечно близкого к температуре холодильника T2. На третьем участке газ изотермически сжимается, производя отрицательную работу, т.е. заставляя работать поршень,  и при этом отдает обратимым путем холодильнику некоторое количество тепла Q2. Этот процесс доводится до такой точки (состояния), чтобы рабочее тело могло из нее вернуться в исходное состояние строго по адиабате. На последнем адиабатическом участке рабочее тело отсоединяется от холодильника и поршень возвращает часть полученной работы, ровно столько, сколько он получил на втором участке цикла, и восстанавливается первоначальная энергия и температура рабочего тела. По окончании цикла его можно повторять сколь угодно раз, получая каждый раз одну и ту же работу A=Q1-Q2.  КПД цикла вычисляется по формуле

η = AQ1=(Q1-Q2)Q1.

       Однако, приведенные выше рассуждения носят ограниченный характер, а именно, что это идеальная машина, а рабочее тело – идеальный газ. Эту проблему можно снять, если ввести понятие энтропии и ее статистического смысла. Тогда нам нет необходимости ограничиваться применением в качестве рабочего тела только идеальным газом.

Литература:

1. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. М.: «Наука», Т. 1. 1974.
2. Большой справочник. Физика для школьников и поступающих в вузы. М.: Дрофа. 2008.