Перейти к содержанию

Термодинамические циклы, энтропия и энергетическая эффективность

Физика 12 класс Сложность 4/5

Начало урока

Преобразование тепла в полезную работу

Цикл возвращает рабочее тело в исходное состояние, передавая энергию между резервуарами. Первый закон балансирует энергию, второй ограничивает направление и КПД.

Цели

  • читать работу и направление по $pV$-диаграмме;
  • последовательно применять $\Delta U=Q-W_{by}$;
  • сравнивать изохорный, изобарный, изотермический и адиабатический пути;
  • считать КПД и холодильный коэффициент;
  • использовать энтропию и предел Карно.

1. Состояния, пути и работа

Давление, объём, температура и внутренняя энергия описывают состояние. Теплота и работа зависят от пути. При $W_{by}$ как работе системы $\Delta U=Q-W_{by}$. $W_{by}=\int P\,dV$: расширение положительно, сжатие отрицательно. Площадь под путём — работа, площадь внутри цикла — чистая работа.

объёмдавлениепо часовой: работа наружу

2. Четыре процесса

ПроцессУсловиеСледствие
Изохорный$V$ постоянно$W=0$, $Q=\Delta U$
Изобарный$P$ постоянно$W=P\Delta V$
Изотермический$T$ постояннодля идеального газа $\Delta U=0$, $Q=W$
Адиабатический$Q=0$для обратимого идеального газа $PV^\gamma=const$

3. Цикл и двигатель

За цикл $\Delta U=0$, поэтому $W_{net}=Q_H-Q_C$. $\eta=W_{net}/Q_H=1-Q_C/Q_H$. Цикл по часовой стрелке выдаёт положительную работу.

Циклический двигатель не превращает всё тепло одного резервуара в работу; часть отводится, а необратимость увеличивает потери.

4. Холодильник

$COP_R=Q_C/W$, для теплового насоса $COP_{HP}=Q_H/W=COP_R+1$. COP может быть больше единицы, потому что это перенесённое тепло на работу, а не КПД двигателя.

5. Энтропия

Продолжите этот урок на YourAIZone

В полном уроке — объяснение целиком, разобранные примеры, частые ошибки, тесты с мгновенной проверкой и ИИ-репетитор. Начните сразу как гость или создайте аккаунт, чтобы сохранять прогресс.

В полном уроке

  • Объяснение целиком
  • Разобранные примеры
  • Частые ошибки и как их избежать
  • Тестовые вопросы: 15
  • ИИ-репетитор, который отвечает на вопросы по теме
  • Отслеживание прогресса для ученика, родителей и учителя