Как найти теплоту который вырабатывал газ

9

6 Работа газа и теплота

При расширении газ совершает работу против внешней среды, передавая ей при этом энергию. При сжатии наоборот, газ воспринимает работу, совершенную внешней средой и увеличивающей его внутреннюю энергию. При этом осуществление работы возможно при наличие по меньшей мере двух движущихся тел, одно из которых оказывает силовое воздействие на другое.

Из сказанного следует, что работа есть одна из форм передачи энергии от одного тела к другому. Количество работы представляет собой меру передаваемой энергии. Количество энергии, полученное телом в форме работы, называется совершенной над телом работой, а отданную энергию в форме работы – затраченной телом работой.

Другой способ передачи энергии реализуется при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергией между молекулами соприкасающихся тел либо лучистым переносом внутренней энергии излучающих тел путем электромагнитных волн, при этом энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому. Количество энергии переданное этим способом от одного тела к другому называют количеством теплоты, а сам способ – передачей энергии в форме теплоты. Получаемая теплота называется подведенной, а отданная – отведенной теплотой.

В общем случае передача энергии в форме теплоты и в форме работы может происходить одновременно. При этом необходимо отметить, что в различных термодинамических процессах в зависимости от условий их протекания количества теплоты и работы различны. Следовательно, теплота и работа характеризуют качественно и количественно две различные формы передачи движения от одних тел материального мира к другим.

Работа представляет собой макрофизическую форму передачи энергии, а теплота есть совокупность микрофизических процессов, поскольку передача энергии этим способом происходит на молекулярном уровне без видимого движения тел, например изменение скоростей движения молекул и обмен энергией при их соударениях, излучение квантов света, изменения структуры самих молекул и атомов и т.д. Все эти изменения энергии, не поддающиеся непосредственному наблюдению в обычных условиях, проявляются в наших ощущениях в форме теплоты. Количество теплоты и работы являются мерами энергии, переданной телам в форме работы и в форме теплоты.

Понятие «теплота и работа» возникает только в связи с протекающим термодинамическим процессом. Если нет процесса, то нет теплоты и работы. Поэтому нельзя говорить о запасе теплоты и работы в каком-либо теле.

В соответствии с этим ни элементарная работа L , ни элементарная теплота Q не являются полными дифференциалами параметров состояния и их нельзя называть приращением количества теплоты и работы. Величины Q и L есть только бесконечно малые количества теплоты и работы, участвующие в элементарном процессе. Поэтому операцию интегрирования можно обозначать только следующим образом:

, (9)

при условии, что будут заданы частные признаки между состояниями 1 и 2.

Термодинамический процесс

Изменение состояния рабочего тела вследствие воздействия на него внешней среды называется термодинамическим процессом (ТДП). ТДП характеризуется изменением основных параметров рабочего тела. ТДП могут быть равновесными и неравновесными.

Равновесный процесс протекает так медленно, что в каждый выбранный момент времени значения параметров состояния в отдельных частях характеризуют равновесное состояние всей системы, а не отдельной ее части. Равновесные процессы можно описать графически, например, в виде изотерм.

Неравновесные процессы не поддаются графическому изображению, так как рабочее тело системы, участвующее в процессе, одновременно имеет несколько разных значений параметров в различных частях.

Обратимый процесс – процесс, который может происходить как в прямом, так и в обратном направлениях, причем при возвращении в первоначальное состояние (при изменении внешних условий в противоположной последовательности) система проходит все равновесные состояния прямого процесса, но в обратном порядке. Обратимые процессы – это идеализированные процессы с максимальной работой при расширении и минимальной при сжатии.

Необратимый процесс – процесс, который может самопроизвольно протекать только в одном направлении. При таких процессах система не может возвратиться в исходное состояние без дополнительного внешнего воздействия. Всякий необратимый процесс изменения состояния рабочего тела является процессом неравновесным.

Несколько последовательных ТДП составляющих замкнутый процесс образуют круговой процесс или цикл. Термодинамический цикл (см. рисунок 2), как и ТДП, может быть обратимым и необратимым. Обратимый цикл образуется только обратимыми процессами.

Как найти теплоту который вырабатывал газ

Математика

В этом разделе представлены теория и задачи по математике, необходимые для успешной подготовки к ЦТ или ЕГЭ. Список основных тем из школьной математики:

Смотрите также:

Физика

В этом разделе представлены теория и задачи по физике, необходимые для успешной подготовки к ЦТ или ЕГЭ. Список основных тем из школьной физики:

Смотрите также:

Формулы, методы и другая справочная информация

В этом разделе сайта представлены различные списки формул по физике и математике, а также приведена другая необходимая справочная информация. Знание физических и математических формул, законов и методов является одним из ключевых элементов успешной подготовки к ЦТ или ЕГЭ. В этом разделе смотрите:

Итоговые тесты по физике и математике

В этом разделе сайта представлены итоговые тренировочные тесты по физике и математике, которые позволят абитуриентам успешно повторить изученный материал и систематизировать свои знания по физике и математике. Решение этих тренировочных тестов поможет поступающим успешно сдать ЦТ или ЕГЭ.

Другая полезная информация для абитуриентов

В этом разделе сайта представлены различные советы и рекомендации по подготовке и сдаче ЦТ и ЕГЭ, а также общая информация об этих экзаменах. Кроме того, имеются советы для абитуриентов о том, как правильно организовать процесс самостоятельного изучения физики и математики дома. В этом разделе смотрите:

Высшая математика

В этом разделе сайта в простой и понятной форме приведена теория, задачи, тесты и формулы по высшей математике. Эта информация поможет поступившим в ВУЗы ученикам разобраться в этом сложном предмете и получить отличные оценки на экзаменах по высшей математике в выбранном ВУЗе. В этом разделе смотрите также:

Материалы для поступающих в Польшу

В этом разделе собраны материалы, которые помогут ученикам подготовится к поступлению в польские университеты. В основном материалы представляют из себя польские тесты по многим предметам на польском языке, в том числе по физике и по математике. Однако, имеется также и другая полезная информация.

Научно-популярные статьи

В этом разделе собраны различные интересные и познавательные факты в виде научно-популярных статей, в которых сложные вещи излагаются простым языком без лишних формул. Эти статьи помогут убедиться в особенной занимательности науки, полюбить физику, математику и другие науки, а также отвлечься и развеяться во время трудоемкой и зачастую скучной подготовки к экзаменам.

ЗАПРЕЩЕНО использование представленных на сайте материалов или их частей в любых коммерческих целях, а также их копирование, перепечатка, повторная публикация или воспроизведение в любой форме. Нарушение прав правообладателей преследуется по закону. Подробнее.

Найти теплоту, отданную газом за весь цикл (25 марта 2013)

P_o = 3 200 Па, V_o = 4.3 м 3 .

1) Найти теплоту, отданную газом внешним телам за весь цикл.

Источник: задача из СПбГУ (Барсик).

Комментарии

Газ отдает теплоту, если Q < 0. Ищем, где это происходило. Есть участки 3-4, 4-5, «подозрительный» 5-6, 6-1.

Исследуем каждый участок.

Участок 3-4: работа на этом участке 0. ΔU < 0, ⇒ Q < 0 (отданное кол-во теплоты на этом участке: 361.2 кДж).

Участок 4-5: Δ U < 0. A < 0, ⇒ Q < 0 (отданное кол-во теплоты на этом участке: 43 кДж).

Участок 5-6: Δ U > 0. A < 0, исследуем этот участок. И получается, что Q > 0 (17.2 кДж).

Участок 6-1: работа на этом участке 0. Δ U < 0, ⇒ Q < 0 (отданное кол-во теплоты на этом участке: 103.2 кДж).

Таким образом, газ отдает теплоту на участках: 3-4, 4-5, 6-1. И кол-во теплоты: 507.4 кДж.

Правильный ответ: 542.234 ± 0.11 кДж.

Не могу найти, где я ошибаюсь.

Q₅₆ ищу таким же образом, но ответ опять не сходится. Мой ответ: 17.2 кДж.

Задачи на нахождение КПД тепловых машин с использованием графиков

Люди научились летать в космос, покорять недра Земли и погружаться в глубины океана. Эти и другие достижения возможны благодаря способности извлекать максимум пользы из имеющихся ресурсов,а именно получать тепловую энергию различными доступными способами. Сегодня мы разберем задачи, которые заставят тепловые процессы играть на нашей стороне.

Тепловые машины и их КПД

Рекомендация: перед тем как приступить к выполнению задач неплохо было бы повторить тему «Уравнение состояния идеального газа» . Но ключевую теорию, на которой основано решение задач, сейчас разберем вместе.

Вспомним, что фазовые переходы — это переход из одного агрегатного состояния в другое. При этом может выделяться большое количество теплоты.

Именно благодаря этому они и стали такими полезными для нас. Например, в ядерных реакторах воду используют в качестве рабочего тела, то есть она нагревается вследствие энергии, полученной из ядерных реакций, доходит до температуры кипения, а затем под большим давлением уже в качестве водяного пара воздействует на ротор генератора, который вращается и дает нам электроэнергию! На этом основан принцип работы атомных электростанций.

Мы не почувствуем, как испарится капелька у нас на руке, потому что это не требует много тепла от нашего тела. Но мы можем наблюдать, как горят дрова в мангале, когда мы жарим шашлык, потому что выделяется огромное количество теплоты. А зачем мы вообще рассматриваем эти фазовые переходы? Все дело в том, что именно фазовые переходы являются ключевым звеном во всех процессах, где нас просят посчитать КПД, от них нашему рабочему телу и подводится теплота нагревателя.

Человечество придумало такие устройства, которые могут переработать тепловую энергию в механическую.

Тепловые двигатели, или тепловые машины, — устройства, способные преобразовывать внутреннюю энергию в механическую.

Их устройство довольно просто: они на входе получают какую-то энергию (в основном — энергию сгорания топлива), а затем часть этой теплоты расходуется на совершение работы механизмом. Например, в автомобилях часть энергии от сгоревшего бензина идет на движение. Схематично можно изобразить так:

Рабочее тело — то, что совершает работу — принимает от нагревателя количество теплоты Q₁, из которой A уходит на работу механизма. Остаток теплоты Q₂ рабочее тело отдает холодильнику, по сути — это потеря энергии.

Физика не была бы такой загадочной, если б все в ней было идеально. Как и в любом процессе или преобразовании, здесь возможны потери, зачастую очень большие. Поэтому «индикатором качества» машины является КПД, с которым мы уже сталкивались в механике:

Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины — это отношение полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя.

Мы должны понимать, что КПД на практике никогда не получится больше 1, поскольку всегда будут тепловые потери.

Полезную работу можно расписать как Q₁ — Q₂ (по закону сохранения энергии). Тогда формула примет вид:

Давайте попрактикуемся в применении данной формулы на задаче номер 9 из ЕГЭ.

Задача. Тепловая машина, КПД которой равен 60%, за цикл отдает холодильнику 100 Дж. Какое количество теплоты за цикл машина получает от нагревателя? (Ответ дайте в джоулях).

Решение:

Давайте сначала вспомним нашу формулу для КПД:

где \(Q_1\) — это теплота, которую тело получает от нагревателя, \(Q_2\) — теплота, которая подводится к холодильнику.

Тогда отсюда можно вывести искомую теплоту нагревателя:

Ответ: 250 Дж

Цикл Карно

Мы знаем, что потери — это плохо, поэтому должны предотвращать их. Как это сделать? Нам ничего делать не нужно, за нас уже все сделал Сади Карно, французский физик, разработавший цикл, в котором машины достигают наивысшего КПД. Этот цикл носит его имя и состоит из двух изотерм и двух адиабат. Рассмотрим, как этот цикл выглядит в координатах p(V).

• Температура верхней изотермы 1-2 — температура нагревателя (так как теплота в данном процессе подводится).
• Температура нижней изотермы 3-4 — температура холодильника (так как теплота в данном процессе отводится).
• 2-3 и 4-1 — это адиабатические расширение и сжатие соответственно, в них газ не обменивается теплом с окружающей средой.

Цикл Карно — цикл идеальной тепловой машины, которая достигает наивысшего КПД.

Формула, по которой можно рассчитать ее КПД выражается через температуры:

Не то круто, что красиво, а то, что по Карно работает! Поэтому присматривайте такой автомобиль, у которого высокий КПД.

Приступим к задачам

Задачи на данную тему достаточно часто встречаются в задании 27 из КИМа ЕГЭ. Давайте разберем некоторые примеры.

Задание 1. Одноатомный газ совершает циклический процесс, как показано на рисунке. На участке 1–2 газ совершает работу A₁₂ = 1520 Дж. Участок 3–1 представляет собой адиабатный процесс. Количество теплоты, отданное газом за цикл холодильнику, равно |Q_хол| = 4780 Дж. Найдите работу газа |A₁₃| на адиабате, если количество вещества постоянно.

Решение:

Шаг 1. Первое, с чего лучше начинать задачи по термодинамике — исследование процессов.

Посмотрим на участок 1-2 графика: продолжение прямой проходит через начало координат, поэтому график функционально можно записать, как p = aV, где a — какое-то число, константа. Графиком является не изотерма, поскольку график изотермы в координатах p-V — гипербола. Из уравнения Менделеева-Клапейрона следует: \(\frac = const\). Отсюда можно сделать вывод, что возрастает температура, так как растут давление и объем. Температура и объем растут, значит, увеличивается и внутренняя энергия и объем соответственно.

Участок 2-3: процесс изохорный, поскольку объем постоянен, следовательно, работа газом не совершается. Рассмотрим закон Шарля: \(\frac

= const\). Давление в этом процессе растет, тогда растет и температура, поскольку дробь не должна менять свое значение. Делаем вывод, что внутренняя энергия тоже увеличивается.

Участок 3-1: адиабата по условию, то есть количество теплоты в этом переходе равна нулю из определения адиабатного процесса. Работа газа отрицательна, так как газ уменьшает объем.

Оформим все данные в таблицу.

Определим знаки Q, используя первый закон термодинамики: Q = ΔU + A.

Из этих данных сразу видно, что количество теплоты, отданное холодильнику — это количество теплоты в процессе 2-3.

Шаг 2. Первый закон термодинамики для процесса 1-2 запишется в виде:

Работа A12 — площадь фигуры под графиком процесса, то есть площадь трапеции:

Запишем изменение внутренней энергии для этого процесса через давление и объем. Мы выводили эту формулу в статье «Первое начало термодинамики»:

Заметим, что это в 3 раза больше работы газа на этом участке:

\(\Delta U_ <12>= 3A_ <12>\rightarrow Q_ <12>= 4A_<12>\).

Шаг 3. Работа цикла — площадь фигуры, которую замыкает график, тогда . A = A₁₂ — |A₃₁|. С другой стороны, работа цикла вычисляется как разность между энергиями нагревателя и холодильника: A = Q₁₂ — |Q₃₁|.

Сравним эти формулы:

подставим выражения из предыдущего пункта:

Ответ: 220 Дж

Задание 2. Найти КПД цикла для идеального одноатомного газа.

Решение:

Шаг 2. Найдем процесс, который соответствует получению тепла от нагревателя. Воспользуемся теми же приемами, что и в прошлой задаче:

Посмотрим на участок 1-2 графика: давление растет, объем не меняется. По закону Шарля \(\frac

= const\) температура тоже растет. Работа газа равна 0 при изохорном процессе, а изменение внутренней энергии положительное.

2-3: давление не меняется, растет объем, а значит, работа газа положительна. По закону Гей-Люссака \(\frac = const\) температура тоже растет, растет и внутренняя энергия.

3-4: давление уменьшается, следовательно, и температура уменьшается. При этом процесс изохорный и работа газа равна 0.

4-1: давление не меняется, объем и температура уменьшаются — работа газа отрицательна и внутренняя энергия уменьшается.

Оформим данные в таблицу:

Отметим, что необходимое Q = Q₁₂ + Q₂₃.

Шаг 3. Запишем первый закон термодинамики для процессов 1-2 и 2-3:

\(Q_ <12>= U_ <12>+ A_ <12>= \Delta U_ <12>= \frac<3><2>(2p_1V_1 -p_1V_1) = \frac<3><2>p_1V_1\).
\(Q_ <23>= \Delta U_ <23>+ A_<23>\), работу газа найдем как площадь под графиком: A₂₃ = 2p₁(3V₁ — V₁) = 4p₁V₁.
\(\Delta U_ <12>= \frac<3><2>(2p_1 * 3V_1 — 2p_1V_1) = 6p_1V_1\).
\(Q_ <23>= \Delta U_ <23>+ A_ <23>= 10p_1V_1\).

Ответ: 17%

Теперь вас не должно настораживать наличие графиков в условиях задач на расчет КПД тепловых машин. Продолжить обучение решению задач экзамена вы можете в статьях «Применение законов Ньютона» и «Движение точки по окружности».

Фактчек

• Тепловые двигатели — устройства, способные преобразовывать внутреннюю энергию в механическую.
• Тепловая машина принимает тепло от нагревателя, отдает холодильнику, а рабочим телом совершает работу.
• Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины — это отношение полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя.
  \(\eta = \frac= \frac= 1 — \frac\)
• Цикл Карно — цикл с максимально возможным КПД: \(\eta = \frac= 1 — \frac\)
• Не забываем, что работа считается, как площадь фигуры под графиком.

Проверь себя

Задание 1.
1 моль идеального газа переходит из состояния 1 в состояние 2, а потом — в состояние 3 так, как это показано графике. Начальная температура газа равна T₀ = 350 К. Определите работу газа при переходе из состояния 2 в состояние 3, если k = 3, а n = 2.

1. 5672 Дж
2. 4731 Дж
3. 5817 Дж
4. 6393 Дж

Задание 2.
1 моль идеального одноатомного газа совершает цикл, который изображен на pV-диаграмме и состоит из двух адиабат, изохоры, изобары. Модуль отношения изменения температуры газа при изобарном процессе ΔT₁₂ к изменению его температуры ΔT₃₄ при изохорном процессе равен 1,5. Определите КПД цикла.

1. 0,6
2. 0,5
3. 0,8
4. 1

Задание 3.
В топке паровой машины сгорело 50 кг каменного угля, удельная теплота сгорания которого равна 30 МДж/кг. При этом машиной была совершена полезная механическая работа 135 МДж. Чему равен КПД этой тепловой машины? Ответ дайте в процентах.

1. 6%
2. 100%
3. 22%
4. 9%

Задание 4.
С двумя молями одноатомного идеального газа совершают циклический процесс 1–2–3–1 (см. рис.). Чему равна работа, совершаемая газом на участке 1–2 в этом циклическом процессе?

1. 4444 Дж
2. 2891 Дж
3. 4986 Дж
4. 9355 Дж

Ответы:1 — 3; 2 — 1; 3 — 4; 4 — 3.