Пособие для самостоятельной работы студентов по теме Основы термодинамики

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ                                                                                                                                                                          «КУПИНСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ ТЕХНИКУМ»

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Для самостоятельной работы студентов

По дисциплине: ФИЗИКА

Тема: «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ»

Специальность: 34.02.01 Сестринское дело   Курс: 1

(базовой подготовки)

Купино

2016

Рассмотрено на заседании   предметной цикловой

Методической комиссии по общеобразовательным дисциплинам,

общему гуманитарному и социально-экономическому, математическому и

естественно-научному циклу

Протокол № _____ от «_____» _________20____г.                                             

Председатель ПЦМК: _____________                                              

Автор – составитель: преподаватель математики высшей категории Тюменцева О.Н.

Купино

2016 г

Пояснительная записка к методическому пособию

Методическое пособие предназначено для повторения теоретических и практических знаний по теме.

Цель пособия – повторить понятия: температура, давление, плотность, удельный объем, круговой процесс

 и подготовиться к занятию по теме «Основы термодинамики».

Данное пособие рекомендовано для студентов первого курса специальности 34.02.01 Сестринское дело. Пособие содержит определения основных понятий термодинамики, формул для их вычисления и формул связи, первый и второй законы термодинамики, тест для самоконтроля и ключи к тесту.

Пособие направлено на формирование навыков самостоятельной работы с учебным материалом, формирование навыков решения задач, формирование и развитие творческого потенциала, повышение интереса к дисциплине.

Основные понятия и определения

Термодинамика – наука о закономерностях превращения энергии. В термодинамике широко используется понятие термодинамической системы.

Термодинамической системой называется совокупность материальных тел, взаимодействующих, как между собой, так и с окружающей средой.

Все тела находящиеся за пределами границ рассматриваемой системы называются окружающей средой.

Поскольку одно и тоже тело, одно и тоже вещество при разных условиях может находится в разных состояниях, (пример: лед – вода – пар , одно вещество при разной температуре) вводятся, для удобства, характеристики состояния вещества – так называемые параметры состояния.

Перечислим основные параметры состояния вещества:

Температура тел - определяет направление возможного самопроизвольного перехода тепла между телами.

В Северной Америке используется шкала Фаренгейта. Для термодинамических расчетов очень удобна абсолютная шкала или шкала Кельвина. За ноль в этой шкале принята температура абсолютного нуля, при этой температуре прекращается всякое тепловое движение в веществе. Численно один градус шкалы Кельвина равен одному градусу шкалы Цельсия. В настоящее время в мире существует несколько температурных шкал и единиц измерения температуры. Наиболее распространенная в Европе шкала Цельсия где нулевая температура – температура замерзания воды при атмосферном давлении, а температура кипения воды при атмосферном давлении принята за 100 градусов Цельсия (° С).

Температура, выраженная по абсолютной шкале, называется абсолютной температурой.

Соотношение для перехода от градусов Цельсия к градусам Кельвина:

T [K] = t [°C] + 273.15

где: T - температура в Кельвинах, t – температура в градусах Цельсия.

Давление - представляет собой силу, действующею по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности.

Для измерения давления применяются различные единицы измерения. В стандартной системе измерения СИ единицей служит Паскаль (Па).

Соотношение между единицами:

1 бар = 10⁵ Па

1 кг/см² (атмосфера) = 9.8067×10⁴ Па

1мм рт. ст (миллиметр ртутного столба) = 133 Па

1 мм вод. ст. (миллиметр водного столба) =  9.8067 Па

Плотность – отношение массы вещества к объему занимаемому эти веществом.

Удельный объем - величина обратная плотности т.е. отношения объема занятого веществом к его массе.

 

Термодинамические процессы и циклы

Если в термодинамической системе меняется хотя бы один из параметров любого входящего в систему тела, то в системе происходит термодинамический процесс. 

Основные термодинамические параметры состояния Р, V, Т однородного тела зависят один от другого и взаимно связаны уравнением состояния: F (P, V, Т). Для идеального газа уравнение состояния записывается в виде:

P × v = R × T

где: P - давление; v – удельный объем; T – температура; R – газовая постоянная (у каждого газа свое значение).

Если известно уравнение состояния, то для определения состояния простейших систем достаточно знать две независимые переменные изтрех Р = f1 (v, т); v = f2 (Р, Т); Т = f3 (v, Р)

Термодинамические процессы часто изображаются на графиках состояния, где по осям отложены параметры состояния. Точки, на плоскости такого графика, соответствуют определенному состоянию системы, линии на графике соответствуют термодинамическим процессам, переводящим систему из одного состояния в другое. 

Рассмотрим термодинамическую систему, состоящую из одного тела – какого либо газа в сосуде с поршнем, причем сосуд и поршень в данном случае является внешней средой. Пусть, для примера, происходит нагрев газа в сосуде, возможны два случая: если поршень зафиксирован и объем не меняется, то произойдет повышение давления в сосуде. Такой процесс называется изохорным (v=const), идущий при постоянном объеме.

Рисунок 1. Изохорные процессы в P – T координатах (v3>v2>v1).

eсли поршень свободен то нагреваемый газ будет расширятся при постоянном давлении такой процесс называется изобарным (P=const), идущим при постоянном давлении.;

Рисунок 2. Изобарные процессы в v – T координатах P1>P2>P3

Если, перемещая поршень, изменять объем газа в сосуде то, температура газа тоже будет изменяться, однако можно охлаждая сосуд при сжатии газа и нагревая при расширении можно достичь того, что температура будет постоянной при изменениях объема и давления, такой процесс называется изотермическим (Т=const).

Рисунок 3. Изотермические процессы в P – v координатах T3>T2>T1

Процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой, называется адиабатным, при этом количество теплоты в системе остается постоянными (Q=const). В реальной жизни адиабатных процессов не существует поскольку полностью изолировать систему от окружающей среды не возможно. Однако часто происходят процессы при которых теплообменном с окружающей средой очень мал, например быстрое сжатие газа в сосуде поршнем, когда тепло не успевает отводится за счет нагрева поршня и сосуда.

Рисунок 4. Примерный график адиабатного процесса в P – v координатах

Круговой процесс (Цикл) это совокупность любого числа отдельных процессов, возвращающих систему в первоначальное состояние.

Понятие кругового процесса является для нас ключевым в термодинамике, поскольку работа АЭС основана на паро–водяном цикле, другими словами мы можем рассматривать испарение воды а активной зоне (АЗ), вращение паром ротора турбины, конденсацию пара и поступление воды в АЗ как некий замкнутый термодинамический процесс или цикл.

Теплота и работа

Тела, участвующие в процессе, обмениваются между собой энергией. Энергия одних тел увеличивается, других - уменьшается. Передача энергии от одного тела к другому происходит 2-мя способами: 

• Первый способ передачи энергии при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергии между молекулами соприкасающихся тел (или лучистым переносом при помощи электромагнитных волн). Энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому. Энергия кинетического движения молекул называется тепловой, поэтому такой способ передачи энергии называется передача энергии в форме теплоты. Количество энергии, полученной телом в форме теплоты называется подведенной теплотой (сообщенной), а количество энергии, отданное телом в форме теплоты - отведенной теплотой (отнятой). Обычное обозначение теплоты Q, размерность Дж. В практических расчетах важное значение приобретает отношение теплоты к массе – удельная теплота обозначается q размерность Дж/кг. Подведенная теплота - положительна, отведенная - отрицательна. 
• Второй способ передачи энергии связан с наличием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления. Этот способ называется передачей энергии в форме работы. Если в качестве примера тела рассматривать газ в сосуде с поршнем то в случае приложения внешней силы к поршню п роисходит сжатие газа – работа совершается над телом, а в случае расширения газа в сосуде работу, перемещение поршня, с овершает само тело (газ). Количество энергии, полученное телом в форме работы называется совершенной над телом работой, а отданная - затраченной телом работой. Количество энергии в форме работы обычно обозначается L размерность Дж. Удельная работа - отношение работы к массе тела обозначается l размерность – Дж/кг.

Рабочие тело - определенное количество вещества, которое участвуя в термодинамическом цикле совершает полезную работу.

Рабочим телом в реакторной установке РБМК является вода, которая после испарения в активной зоне в виде пара совершает работу в турбине, вращая ротор.

Передача энергии в термодинамическом процессе от одного тела к другому, связанная с изменением объема рабочего тела, с перемещением его во внешнем пространстве или с изменением его положения называется работой процесса.

Первый закон термодинамики.

Формулировка:

В изолированной термодинамической системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной.

Этот закон является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии, который гласит, что энергия не появляется и не исчезает, а только переходит из одного вида в другой. Из этого закона следует, что уменьшение общей энергии в одной системе, состоящей из одного или множества тел, должно сопровождаться увеличением энергии в другой системе тел. Существую другие формулировки этого закона:

1.      Не возможно возникновение или уничтожение энергии (эта формулировка говорит о невозможности возникновения энергии из ничего и уничтожения ее в ничто). 

2.     Любая форма движения способна и должна превращаться в любую другую форму движения (эта философская формулировка подчеркивает неуничтожимость энергии и ее способность взаимопревращаться в любые другие виды энергии). 

3.     Вечный двигатель первого рода невозможен. (Под вечным двигателем первого рода понимают машину, которая была бы способна производить работу не используя никакого источника энергии). 

4.      Теплота и работа являются двумя единственно возможными формами передачи энергии от одних тел к другим.

Второй закон термодинамики.

Первый закон термодинамики утверждает, что теплота может превращаться в работу, а работа в теплоту, не устанавливая условий, при которых возможны эти превращения. Повседневные наблюдения и опыты показывают, что теплота сама может переходить только от нагретых тел к более холодным (до полного равновесия). Только за счет затраты работы можно изменить направление движения теплоты. Это свойство теплоты резко отличается от работы. Работа легко и полностью превращается в теплоту.

В тепловых машинах превращение теплоты в работу происходит только при наличии разности температур между источниками теплоты и теплоприемниками. При этом вся теплота не может быть превращена в работу. Закон, позволяющий указать направление теплового потока, и устанавливающий максимально возможный предел превращения теплоты в работу в тепловых машинах - 2-й закон термодинамики.

Формулировки второго закона термодинамики:

1.     Вечный двигатель второго рода не возможен (под вечным двигателем второго рода понимается машина, которая могла бы превращать всю подводимую к ней теплоту в работу. Такая машина имела бы КПД = 1). 

2.     Стопроцентное превращение теплоты в работу посредством тепловой машины - двигателя невозможно. Условия работы тепловых машин:

1.     Тепловая машина всегда работает в определенном перепаде температур. (Это значит, что для работы такой машины необходим иметь по крайней мере 1 источник теплоты, и 1 приемник теплоты).

2.     Любая тепловая машина должна работать циклично, т.е. рабочее тело, совершая за определенный промежуток времени ряд процессов расширения и сжатия, должно возвращаться в исходное состояние.

Тест Основные положения термодинамики

1. При постоянном давлении р объём газа увеличится на ∆V. Какая физическая величина равна произведению р|∆V| в этом случае?
А.) работа, совершаемая газом;

Б.) работа, совершаемая над газом внешними силами;

В.) количество теплоты, полученное газом;

Г.) внутренняя энергия газа.

2. Над телом совершена работа А внешними силами, и телу передано количество теплоты Q. Чему равно изменение внутренней энергии ∆U тела?
А.) ∆U=А;   Б.) ∆U=Q   В.) ∆U=А+Q;   Г.) ∆U=А-Q;   Д.) ∆U=Q-A.
 3. Какой процесс произошел в идеальном газе, если изменение его внутренней энергии равно нулю?
А.) изобарный; Б.) изотермический; В.) изохорный; Г.) адиабатический.

4. Идеальному газу передаётся количество теплоты таким образом, что в любой момент времени передаваемое количество теплоты Q равно работе А, совершаемой газом. Какой процесс осуществляется?

А.) адиабатический; Б.) изобарный; В.) изохорный; Г.) изотермический.

5. Какая физическая величина вычисляется по формуле ?

А.) количество теплоты в идеальном газе;

Б.) давление идеального газа;
В.) внутренняя энергия одноатомного идеального газа;
Г.) внутренняя энергия одного моля идеального газа.
6. Среди приведенных ниже формул найдите ту, по которой вычисляется максимальное значение КПД теплового двигателя.

А.) ;   Б.) ;   В.) ;   Г.) .

7. Какой процесс произошел в идеальном газе, если изменение его внутренней энергии равно количеству подведённой теплоты.

А.) изобарный; Б.) изотермический; В.) изохорный; Г.) адиабатный.

8. На рис.8 показан график изопроцесса с идеальным газом. Запишите для него первый закон термодинамики.

А.) ∆U=Q+А^/;

Б.) ∆U=А^/;

В.) ∆U=Q;

Г.) Q=А^/.

9. На рис. 9 изображены графики адиабаты и изотермы для некоторой массы газа. Какая из этих двух кривых является адиабатой?

А.) 1 - адиабата, 2 - изотерма;
Б.) 1 - изотерма, 2 - адиабата;
В.) правильного ответа нет.

10. При быстром сжатии газа в цилиндре его температура повысилась. Изменится ли при этом внутренняя энергия газа? Напишите уравнение первого закона термодинамики для этого случая.
А.) энергия уменьшилась Q=∆U+А^/;

Б.) энергия увеличилась ∆U=-А^/;

В.) энергия не изменилась Q=А^/.

11. Определите внутреннюю энергию двух молей одноатомного (идеального) газа, взятого при температуре 300 К.

А.) 2,5 кДж;  Б.) 2,5 Дж;  В.) 4,9 Дж;  Г.) 4,9 кДж;  Д.) 7,5 кДж.

12. Чему равно изменение внутренней энергии одного моля идеального одноатомного газа, если Т₁=Т, а Т₂=2Т?
А.) RТ;  Б.) 2RТ;  В.) 3RТ;  Г.) 1,5RТ.

13. Какую работу совершает газ, расширяясь изобарно при давлении 2 ∙ 10⁵ Па от объёма V₁=0,1 м³ до объёма V₂=0,2 м³?
А.) 2 ∙ 10⁶ Дж;   Б.) 200 кДж;   В.) 0,2 ∙ 10⁵ Дж.

14. Термодинамической системе передано количество теплоты, равное 2000 Дж, и над ней совершена работа 500 Дж. Определите изменение его внутренней энергии этой системы.

А.) 2500 Дж;   Б.) 1500 Дж;   В.) ∆U=0.

15. В камере, в результате сгорания топлива выделилась энергия, равная 600 Дж, а холодильник получил энергию, равную 400 Дж. Какую работу совершил двигатель?

А.) 1000 Дж;   Б.) 600 Дж;   В.) 400 Дж;    Г.) 200 Дж.

16. При изобарном нагревании некоторой массы кислорода на ∆Т=160 К совершена работа 8,31 Дж по увеличению его объёма. Определите массу кислорода, если М=3,2 ∙ 10^-2 кг/моль, R=8,31 Дж/(К ∙ моль).
А.) 0,2 кг;   Б.) 2 кг;   В.) 0,5 кг;   Г.) 0,2 г.

17. Каков максимальный КПД тепловой машины, которая использует нагреватель с температурой 427⁰С и холодильник с температурой 27⁰С?

А.) 40%;   Б.) 6%;   В.) 93%;   Г.) 57%.

18. Температура нагревателя идеального теплового двигателя 425 К, а холодильника - 300 К. Двигатель получает от нагревателя 4 ∙ 10⁴ Дж теплоты. Рассчитать работу, совершаемую рабочим телом двигателя.
А.) 1,2 ∙ 10⁴ Дж;   Б.) 13,7 ∙ 10⁴ Дж;   В.) рассчитать работу нельзя.
19. В цилиндре под поршнем находится воздух, массой 29 кг. Какую работу совершит воздух при изобарном расширении, если температура его увеличилась на 100 К. Массу поршня не учитывать.
А.) 831 Дж;   Б.) 8,31 кДж;   В.) 0,83 МДж.

20. Идеальный газ из состояния А переходит в состояние В (см. рис. 10) тремя различными путями. В каком случае работа газа была максимальной?

А.) 1;

Б.) 2;

В.) 3.

21. С какой высоты упала льдинка, если она нагрелась на 1 К? Считать, что на нагревание льдинки идёт 60% её потенциальной энергии.
А.) 350 м; Б.) 700 М; В.) 210 м.

22. На рис. 11 изображен круговой процесс некоторой массы идеального газа. Укажите, на каких стадиях газ получал тепло.
А.) 1-2 и 2-3;
Б.) 3-4 и 4-1;
В.) 1-2 и 4-1;
Г.) 2-3 и 3-4.

23. Газ в количестве 1 моль совершает цикл, состоящий из 2 изохор и 2 изобар. Наименьший объём газа 10 л, наибольший - 20 л. Наименьшее давление 2,5 атм, наибольшее - 5 атм. Найдите работу за цикл.
А.) 2,5 кДж;   Б.) 5 кДж;   В.) 100 кДж;   Г.) 2,5 Дж.

24. Неон, находившийся при нормальных условиях в закрытом сосуде ёмкостью 20 л, охладили на 91 К. Найти изменение внутренней энергии газа и количество отданной им теплоты.

А.) 1 МДж;   Б.) 0,6 кДж;   В.) 1,5 кДж;   Г.) 1 кДж.

25. Газ совершает цикл Карно. Абсолютная температура нагревателя в 3 раза больше абсолютной температуры холодильника. Определите долю теплоты, отдаваемую холодильнику.

А.) 1/2;   Б.) 1/3;   В.) 1/5;   Г.) 2/3.

26. Газ совершает цикл Карно. Температура нагревателя Т₁=380 К, холодильника Т₂=280 К. Во сколько раз увеличится коэффициент полезного действия цикла, если температуру нагревателя увеличить на ∆Т=200 К.

А.) в 2 раза;   Б.) в 3 раза;   В.) в 1,5 раза;   Г.) в 2,5 раза.
27. С одинаковой высоты на кафельный пол падают три шарика одинаковой массы - медный, стальной и железный. Какой из них нагреется до более высокой температуры. Удельная теплоемкость меди 400, железа 460 и стали 500.
А.) медный;   Б.) стальной;   В.) железный.

28. Идеальный газ расширяется по закону . Найдите графически работу, совершенную газом при увеличении объёма от V₁ до V₂.
А.) ;   Б.) ;  В.) .
 29. В цилиндре компрессора сжимают 4 моля идеального одноатомного газа. На сколько поднялась температура газа, если была совершена работа 500 Дж? Процесс считать адиабатным.
А.) 80 К;    В.) 10 К;    В.) 50 К.

30. Газ совершает цикл Карно. 70% полученной теплоты от нагревателя отдаёт холодильнику. Температура нагревателя 430 К. Определите температуру холодильника.
А.) 3 К;    Б.) 301 К;    В.) 614 К.

Тест Основные положения термодинамики

Уровень заданий	Номера заданий и правильные ответы
1 уровень (1 балл)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	А	В	Б	Г	В	Г	В	В	Б	Б
2 уровень (2 балла)	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
	Д	Г	В	А	Г	Г	Г	А	В	А
3 уровень (3 балла)	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
	А	В	А	Г	Б	А	А	Б	Б	Б

Литература

1.     Мякишева Г.Я., Быховцов Б.Б., Сотский Н.Н. Физика. 10-11 класс (базовый и профильный уровни)  М.: Просвещение,  20012 г 

2.     Яремкевич А.П. Физика. Задачник 10-11 класс. - М.: Дрофа, 2005 г. 

Интернет-ресурсы

1.      http://vschool.km.ru - Виртуальный репетитор по физике.

2.      http://archive.1september.ru -  Газета “1 сентября”: материалы по физике. Подборка публикаций по преподаванию физики в школе. Архив с 1997 г.

3.      http://experiment.edu.ru - Физика: коллекция опытов

4.       http://www.spin.nw.ru -  Тесты и задачи по термодинамике.

5.      http://www.gomulina.orc.ru - Физика и астрономия: виртуальный методический кабинет.