Презентация на тему «Термодинамика и тепловые процессы»

Слайд 1. Термодинамика и тепловые процессы

• Законы превращения теплоты в работу и их применение в технике

Доклад: Тема нашей презентации — термодинамика и тепловые процессы. Это раздел физики, который описывает превращения энергии в больших системах тел и лежит в основе всей теплоэнергетики. Сегодня мы разберём её основные законы и посмотрим, как они работают в реальных машинах.

Слайд 2. Содержание

• Введение
• Ключевые понятия
• Виды термодинамических систем
• Уравнение состояния идеального газа
• Первое начало термодинамики
• Изопроцессы в идеальном газе
• Теплоёмкость веществ
• Механизмы теплопередачи
• Становление термодинамики
• Круговорот агрегатных состояний
• Второе начало термодинамики
• Энтропия
• Как работает тепловая машина
• Цикл Карно
• Отдача реальных двигателей
• Двигатель внутреннего сгорания
• Холодильная машина и тепловой насос
• Создатели термодинамики
• Третье начало и абсолютный нуль
• Выводы
• Список литературы

Доклад: На экране план выступления. Мы начнём с базовых понятий и видов термодинамических систем, затем разберём три начала термодинамики, изопроцессы и теплопередачу. Завершим рассказ тепловыми машинами, холодильной техникой и вкладом учёных, создавших эту науку.

Слайд 3. Введение

• Термодинамика изучает превращения энергии в макроскопических системах, не вникая в строение вещества, и потому её выводы универсальны.
• Более 80 % электроэнергии в мире вырабатывают тепловые машины, превращающие теплоту сгорания топлива в механическую работу.
• Тепловые процессы определяют работу двигателей, котлов, холодильников и систем отопления, а значит — и стоимость энергии.
• Инженеру знание термодинамики нужно для расчёта коэффициента полезного действия, тепловых потерь и энергоэффективности.

Доклад: Актуальность темы легко показать цифрами: более восьмидесяти процентов электроэнергии в мире по-прежнему производят тепловые машины. Термодинамика не интересуется тем, из каких частиц состоит вещество, и именно поэтому её выводы одинаково верны для газа в цилиндре, для живой клетки и для звезды. Для инженера это рабочий инструмент расчёта коэффициента полезного действия и тепловых потерь.

Слайд 4. Ключевые понятия

• Термодинамическая система — совокупность тел, обменивающихся энергией и веществом с окружающей средой.
• Внутренняя энергия — суммарная энергия хаотического движения и взаимодействия частиц тела.
• Количество теплоты — энергия, переданная при теплообмене без совершения макроскопической работы.
• Работа газа — энергия, переданная за счёт изменения объёма системы против внешних сил.
• Термодинамический процесс — переход системы из одного равновесного состояния в другое.

Доклад: Прежде чем считать, договоримся о языке. Термодинамическая система — это выделенная совокупность тел, внутренняя энергия — суммарная энергия хаотического движения частиц, а количество теплоты и работа — два разных способа передать энергию. Разница принципиальна: теплота передаётся при теплообмене, работа — при изменении объёма против внешних сил.

Слайд 5. Виды термодинамических систем

• Системы делят по характеру обмена энергией и веществом с окружающей средой. От типа системы напрямую зависит выбор расчётных уравнений.
• Без теплообмена
• Без обмена веществом
• Термос
• Энергия постоянна
• Обмен только энергией
• Масса постоянна
• Газ в цилиндре
• Расчёт циклов
• Обмен веществом
• Поток рабочего тела
• Турбина и котёл
• Живой организм

Доклад: Системы принято делить по тому, чем они обмениваются с окружающей средой. Изолированная система не отдаёт ни теплоты, ни вещества — её приближением служит термос. Закрытая обменивается только энергией, и именно на такой модели считают циклы двигателей, а открытая пропускает через себя поток рабочего тела, как турбина или котёл.

Слайд 6. Уравнение состояния идеального газа

• p · V = (m / M) · R · T
• p — давление газа, Па
• V — объём, занимаемый газом, м³
• m — масса газа, кг; M — молярная масса, кг/моль
• R — универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/(моль·К)
• T — абсолютная температура, К

Доклад: Поведение разреженного газа с хорошей точностью описывает уравнение Клапейрона — Менделеева. Оно связывает давление, объём и абсолютную температуру через количество вещества и универсальную газовую постоянную, равную восьми целым тридцати одной сотой джоуля на моль-кельвин. Из этого уравнения выводятся все частные газовые законы.

Слайд 7. Первое начало термодинамики

• Первое начало — закон сохранения энергии, распространённый на тепловые процессы.
• Из него следует невозможность вечного двигателя первого рода: работу нельзя получить из ничего.
• Формулировку окончательно закрепили работы Майера, Джоуля и Гельмгольца в 1840-е годы.
• Изменение внутренней энергии — нагрев или охлаждение рабочего тела
• Работа против внешних сил — расширение газа и перемещение поршня
• Подведённое количество теплоты — сумма двух предыдущих слагаемых

Доклад: Первое начало термодинамики — это закон сохранения энергии, распространённый на тепловые процессы. Подведённая к системе теплота расходуется на изменение внутренней энергии и на работу газа против внешних сил. Прямое следствие закона — невозможность вечного двигателя первого рода: работу нельзя получить из ничего.

Слайд 8. Изопроцессы в идеальном газе

• Изопроцесс идёт при неизменном значении одного из параметров состояния.
• Реальные циклы тепловых машин раскладывают на такие простые участки.

Доклад: Реальные циклы удобно раскладывать на простые участки — изопроцессы, в которых один параметр остаётся неизменным. В таблице видно, что при изотермическом процессе вся теплота идёт в работу, при изохорном работа вообще не совершается, а при адиабатном газ расширяется исключительно за счёт запаса собственной внутренней энергии.

Слайд 9. Теплоёмкость веществ

• Количество теплоты при нагревании находят по формуле Q = c · m · Δt.
• Удельная теплоёмкость воды аномально велика, поэтому она служит лучшим теплоносителем.

Доклад: Чтобы нагреть тело, нужно количество теплоты, равное произведению удельной теплоёмкости, массы и изменения температуры. На диаграмме хорошо видна аномалия воды: её теплоёмкость около четырёх тысяч двухсот джоулей на килограмм-кельвин, то есть примерно в девять раз больше, чем у меди. Именно поэтому воду используют как основной теплоноситель в отоплении и на электростанциях.

Слайд 10. Механизмы теплопередачи

• Теплопроводность — передача энергии при контакте частиц без переноса вещества
• Конвекция — перенос теплоты потоками жидкости или газа
• Излучение — перенос энергии электромагнитными волнами, возможен и в вакууме

Доклад: Теплота передаётся тремя способами, и они дополняют друг друга. Теплопроводность работает при непосредственном контакте частиц, конвекция переносит энергию потоками жидкости или газа, а излучение способно передавать энергию даже через вакуум — именно так до Земли доходит тепло Солнца.

Слайд 11. Становление термодинамики

• Наука выросла из практической задачи — повысить отдачу паровой машины.
• За восемь десятилетий она превратилась в универсальную теорию энергии.
• 1824 — Карно описал идеальный цикл
• 1842 — Майер обосновал сохранение энергии
• 1850 — Клаузиус сформулировал второе начало
• 1865 — введено понятие энтропии
• 1906 — Нернст доказал третье начало

Доклад: История термодинамики началась с сугубо практической задачи — понять, как повысить отдачу паровой машины. В тысяча восемьсот двадцать четвёртом году Сади Карно описал идеальный цикл, к середине века Майер и Джоуль обосновали сохранение энергии, а Клаузиус ввёл второе начало и понятие энтропии. Точку в классической картине поставил Нернст в тысяча девятьсот шестом году.

Слайд 12. Круговорот агрегатных состояний

• Фазовый переход идёт при постоянной температуре: вся подводимая энергия тратится на перестройку структуры вещества.
• Удельная теплота плавления льда — 3,4 · 10⁵ Дж/кг.
• Удельная теплота парообразования воды — 2,3 · 10⁶ Дж/кг.
• Обратные переходы сопровождаются выделением того же количества теплоты.
• Плавление
• Парообразование
• Конденсация
• Кристаллизация

Доклад: Отдельный класс тепловых процессов — фазовые переходы. Вещество движется по замкнутому кругу: плавление, парообразование, конденсация, кристаллизация. Важная особенность в том, что переход идёт при постоянной температуре, и вся подводимая энергия тратится на перестройку структуры: чтобы испарить килограмм воды, нужно около двух целых трёх десятых мегаджоуля.

Слайд 13. Второе начало термодинамики

• Теплота самопроизвольно переходит только от более нагретого тела к менее нагретому. Невозможен процесс, единственным результатом которого было бы полное превращение полученной теплоты в работу.
• 1850 — Формулировка Клаузиуса — Теплота сама не идёт от холодного тела к горячему
• 1851 — Формулировка Томсона — Нельзя всю теплоту обратить в работу без потерь
• < 100 % — Предел любого цикла — Часть энергии обязательно уходит холодильнику

Доклад: Второе начало термодинамики задаёт направление процессов. Теплота самопроизвольно переходит только от горячего тела к холодному, и ни одна машина не может целиком превратить полученную теплоту в работу. Клаузиус сформулировал это в тысяча восемьсот пятидесятом году, Томсон — годом позже, и обе формулировки эквивалентны.

Слайд 14. Энтропия

• Энтропия — функция состояния, характеризующая степень необратимого рассеяния энергии в системе.
• В изолированной системе энтропия не убывает: все реальные процессы необратимы.
• При обратимом теплообмене изменение энтропии равно отношению количества теплоты к абсолютной температуре.
• В статистической физике энтропия — мера числа микросостояний, отвечающих одному макросостоянию.

Доклад: Количественной мерой необратимости служит энтропия. В изолированной системе она никогда не убывает, а значит, все реальные процессы идут в сторону рассеяния энергии. Пар над горячей чашкой — наглядный пример: он рассеивается в комнате сам собой, а вот собраться обратно в чашку не может никогда.

Слайд 15. Как работает тепловая машина

• Любой тепловой двигатель работает по замкнутому циклу и обязательно имеет нагреватель, рабочее тело и холодильник.
• Полезная работа равна разности полученной от нагревателя и отданной холодильнику теплоты.
• Нагрев — рабочее тело получает теплоту от нагревателя
• Расширение — газ совершает работу и двигает поршень
• Отвод теплоты — часть энергии передаётся холодильнику
• Сжатие — система возвращается в исходное состояние

Доклад: Любая тепловая машина обязательно содержит три элемента: нагреватель, рабочее тело и холодильник. Цикл состоит из нагрева, расширения с совершением работы, отвода части теплоты и сжатия до исходного состояния. Полезная работа равна разности полученной и отданной теплоты — именно поэтому холодильник в схеме принципиально необходим.

Слайд 16. Цикл Карно

• Цикл Карно — идеальный обратимый цикл, задающий верхний предел отдачи любой тепловой машины.
• Его коэффициент полезного действия зависит только от температур нагревателя и холодильника.
• При температуре нагревателя 900 К и холодильника 300 К предел составляет 67 %.
• Изотермическое расширение — газ получает теплоту от нагревателя
• Адиабатное расширение — температура падает без теплообмена
• Изотермическое сжатие — теплота отдаётся холодильнику
• Адиабатное сжатие — система возвращается в исходную точку

Доклад: Идеальный образец такого цикла предложил Сади Карно. Он состоит из двух изотерм и двух адиабат, полностью обратим, а его коэффициент полезного действия зависит только от температур нагревателя и холодильника. При девятистах кельвинах на входе и трёхстах на выходе предел составляет шестьдесят семь процентов — выше не может быть ни одна машина.

Слайд 17. Отдача реальных двигателей

• Реальный коэффициент полезного действия всегда ниже идеального из-за трения, теплопотерь и необратимости процессов.
• Наибольшую эффективность дают парогазовые установки, использующие теплоту дважды.

Доклад: Реальные показатели заметно скромнее из-за трения, теплопотерь и необратимости процессов. Старая паровая машина отдавала около двенадцати процентов, современный бензиновый двигатель — порядка тридцати, дизельный — до сорока пяти. Рекорд держат парогазовые установки: около шестидесяти процентов за счёт того, что теплота используется дважды.

Слайд 18. Двигатель внутреннего сгорания

• Цикл четырёхтактного двигателя включает впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
• Топливо сгорает прямо в цилиндре, поэтому нагревателем служит сама рабочая смесь.
• Температура газов в камере сгорания достигает 2000 °С, давление — до 6 МПа.
• Около 60 % выделившейся теплоты уносят отработавшие газы и система охлаждения.

Доклад: Двигатель внутреннего сгорания интересен тем, что нагревателем в нём служит сама рабочая смесь, сгорающая прямо в цилиндре. Температура газов достигает двух тысяч градусов Цельсия, а давление — шести мегапаскалей. При этом около шестидесяти процентов выделившейся теплоты бесполезно уносят выхлопные газы и система охлаждения.

Слайд 19. Холодильная машина и тепловой насос

• Обе установки работают по обратному циклу: за счёт работы компрессора теплота переносится от холодного тела к горячему. Различаются они тем, какой из потоков теплоты считают полезным.
• Цель — охлаждение внутреннего объёма
• Полезный эффект — отобранная теплота
• Холодильный коэффициент 2–4
• Бытовые холодильники и кондиционеры
• Цель — отопление помещения
• Полезный эффект — отданная теплота
• Коэффициент преобразования 3–5
• Отопление домов теплом грунта и воздуха

Доклад: Если цикл провести в обратную сторону, машина начнёт переносить теплоту от холодного тела к горячему за счёт работы компрессора. Полезным в холодильнике считают отобранное тепло, а в тепловом насосе — отданное, поэтому одна и та же схема даёт либо холод, либо отопление с коэффициентом преобразования три-пять.

Слайд 20. Создатели термодинамики

• Сади Карно, 1796–1832, Заложил теорию тепловых машин и описал идеальный цикл
• Джеймс Прескотт Джоуль, 1818–1889, Опытами доказал эквивалентность теплоты и работы
• Рудольф Клаузиус, 1822–1888, Сформулировал второе начало и ввёл понятие энтропии
• Уильям Томсон (лорд Кельвин), 1824–1907, Предложил абсолютную шкалу температур

Доклад: За законами термодинамики стоят конкретные люди. Сади Карно создал теорию тепловых машин, Джеймс Джоуль экспериментально доказал эквивалентность теплоты и работы, Рудольф Клаузиус ввёл энтропию и второе начало, а Уильям Томсон предложил абсолютную шкалу температур, которая сегодня носит его титул — Кельвин.

Слайд 21. Третье начало и абсолютный нуль

• 1906 — Теорема Нернста — Энтропия стремится к нулю при приближении к абсолютному нулю
• −273,15 °С — Абсолютный нуль — Нижняя граница шкалы температур, недостижимая на практике
• 0 — Теплоёмкость при нуле — Теплоёмкость любого вещества стремится к нулю
• 10⁻¹⁰ К — Рекорд охлаждения — Достигнут в лабораториях методами лазерного охлаждения

Доклад: Третье начало термодинамики утверждает, что при приближении к абсолютному нулю энтропия любого тела стремится к нулю, а теплоёмкость обращается в ноль. Сам абсолютный ноль — минус двести семьдесят три целых пятнадцать сотых градуса Цельсия — недостижим принципиально, хотя в лабораториях уже получены температуры порядка десяти в минус десятой степени кельвина.

Слайд 22. Выводы

• Термодинамика описывает превращения энергии, не обращаясь к строению вещества, и применима к любым макроскопическим системам.
• Первое начало запрещает получать работу из ничего, второе — полностью превращать теплоту в работу.
• Цикл Карно задаёт теоретический предел, к которому стремится инженерная практика.
• Тепловые машины, холодильники и тепловые насосы — прямое воплощение законов термодинамики.
• Рост энергоэффективности достигается повышением температуры нагревателя и утилизацией сбросной теплоты.

Доклад: Подведём итоги. Термодинамика описывает энергетическую сторону явлений, не обращаясь к строению вещества, и потому универсальна. Её первое начало запрещает получать работу из ничего, второе ограничивает полноту превращения теплоты в работу, а цикл Карно задаёт планку, к которой стремится вся инженерная практика.

Слайд 23. Список литературы

• Базаров, И. П. Термодинамика : учебник / И. П. Базаров. — Санкт-Петербург : Лань, 2010. — 384 с.
• Кириллин, В. А. Техническая термодинамика : учебник / В. А. Кириллин, В. В. Сычёв, А. Е. Шейндлин. — Москва : Издательский дом МЭИ, 2008. — 496 с.
• Ландау, Л. Д. Статистическая физика. Часть 1 / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. — Москва : Физматлит, 2010. — 616 с.
• Матвеев, А. Н. Молекулярная физика : учебное пособие / А. Н. Матвеев. — Москва : Высшая школа, 1987. — 360 с.
• Сивухин, Д. В. Общий курс физики. Т. 2. Термодинамика и молекулярная физика : учебное пособие / Д. В. Сивухин. — Москва : Физматлит, 2005. — 544 с.

Доклад: Список литературы содержит классические учебники по теме: Базаров, Кириллин с соавторами, Ландау и Лифшиц, Матвеев и второй том курса Сивухина. Эти издания дают и строгую теорию, и прикладные расчёты технической термодинамики.

Слайд 24. Спасибо за внимание!

Доклад: На этом доклад завершён. Мы рассмотрели основные понятия, три начала термодинамики, изопроцессы, механизмы теплопередачи и работу тепловых машин. Благодарю за внимание, готов ответить на вопросы.