Учебник для углубленного изучения физики
§ 5.12. Максимальный кпд тепловых двигателей
Из-за того что часть теплоты при работе тепловых двигателей неизбежно передается холодильнику, КПД двигателей не может равняться единице. Представляет большой интерес нахождение максимально возможного КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем температуры Т1 и холодильником температуры Т2. Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно.
Содержание
- Глава 1. Развитие представлений о природе теплоты
- § 1.1. Физика и механика
- Что дает механика Ньютона?
- Физика во времена Ньютона
- Механическая картина мира
- Крах механической картины мира
- Тепловые и электромагнитные явления
- § 1.2. Тепловые явления
- Роль тепловых явлений
- Свойства тел и температура
- Тепловые процессы и строение вещества
- Тепловые явления в технике
- § 1.3. Краткий очерк развития представлений о природе тепловых явлений
- Воззрения древних
- Зарождение научной теории тепла
- Теория теплорода
- Крах теории теплорода
- § 1.4. Термодинамика и молекулярно-кинетическая теория Термодинамика
- Молекулярно-кинетическая теория
- Термодинамика и статистическая механика
- Глава 2. Основы молекулярно-кинетической теории
- § 2.1. Основные положения молекулярно-кинетической теории
- Доказательства существования молекул
- Туннельный микроскоп
- Размеры атомов и молекул
- Число молекул
- § 2.2. Масса молекул. Постоянная Авогадро
- Масса молекулы воды
- Относительная молекулярная масса
- Количество вещества
- Постоянная Авогадро
- Молярная масса
- § 2.3. Броуновское движение
- Тепловое движение молекул
- Модель броуновского движения
- Наблюдение броуновского движения
- Объяснение броуновского движения
- Броуновское движение и измерительные приборы
- § 2.4. Силы взаимодействия молекул
- Молекулярные силы
- Электромагнитная природа молекулярных сил
- Ориентационные силы
- Индукционные (поляризационные) силы
- Дисперсионные силы
- Силы отталкивания
- График зависимости молекулярных сил от расстояния между молекулами
- Происхождение сил упругости
- Атомно-силовой микроскоп
- § 2.5. Потенциальная энергия взаимодействия молекул
- Зависимость потенциальной энергии от расстояния между молекулами
- Главная задача
- Движение частицы в пространстве с заданной потенциальной энергией
- § 2.6. Строение газообразных, жидких и твердых тел
- Жидкости
- Твердые тела
- § 2.7. Примеры решения задач
- Упражнение 1
- Глава 3. Температура. Газовые законы
- § 3.1. Состояние макроскопических тел в термодинамике
- Макроскопические параметры
- Давление газа в молекулярно-кинетической теории
- § 3.2. Температура. Тепловое равновесие
- Субъективные представления о температуре
- Происхождение терминов «температура» и «градус»
- Первые термометры
- Современные термометры
- Тепловое равновесие
- Температура
- Молекулярно-кинетическое истолкование температуры
- § 3.3. Уравнение состояния
- § 3.4. Равновесные (обратимые) и неравновесные (необратимые) процессы
- § 3.5. Газовые законы. Закон Бойля-Мариотта
- Газовые законы
- Закон Бойля—Мариотта
- Молекулярно-кинетическое истолкование закона Бойля—Мариотта
- § 3.6. Закон Гей-Люссака. Идеальный газ
- Закон Гей-Люссака
- Экспериментальное определение зависимости объема газа от температуры
- Изобары
- Идеальный газ
- Газовая шкала температур
- § 3.7. Абсолютная температура
- Абсолютный нуль температуры
- Шкала Кельвина
- Зависимость объема от абсолютной температуры
- § 3.8. Законы Авогадро и Дальтона
- Закон Авогадро
- Закон Дальтона
- § 3.9. Уравнение состояния идеального газа
- Уравнение состояния
- Изменение состояния газа
- Вывод уравнения состояния идеального газа
- Универсальная газовая постоянная
- Уравнение Менделеева—Клапейрона
- § 3.10. Закон Шарля. Газовый термометр
- Закон Шарля
- Газовый термометр постоянного объема
- § 3.11. Применение газов в технике
- Управление давлением газа
- Большая сжимаемость газов
- Зависимость объема газа от температуры
- Разреженные газы
- § 3.12. Примеры решения задач
- Разделив почленно уравнение (3.12.4) на уравнение (3.12.5), получим
- При этом
- Упражнение 2
- Глава 4. Молекулярно-кинетическая теория идеального газа
- § 4.1. Системы с большим числом частиц и законы механики. Статистическая механика
- Термодинамические параметры с микроскопической точки зрения
- Системы из большого числа частиц и законы механики
- Статистическая механика
- Средние по времени и статистические средние
- Два этапа становления статистической механики (молекулярно-кинетической теории)
- § 4.2. Идеальный газ в молекулярно-кинетической теории
- Идеальный газ
- Значение столкновений между молекулами
- § 4.3. Среднее значение скорости теплового движения молекул
- Средние значения
- Среднее значение квадрата скорости
- § 4.4. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории
- Столкновение молекулы со стенкой
- Число соударений со стенкой молекул, скорости которых близки к VIX
- Импульс средней силы, действующий на стенку со стороны всех молекул
- Давление газа
- § 4.5. Температура— мера средней кинетической энергии молекул
- Постоянная Больцмана
- Физический смысл постоянной Больцмана
- Зависимость давления газа от концентрации его молекул и температуры
- § 4.6. Распределение максвелла
- Вероятность случайного события
- Распределение молекул по скоростям — распределение Максвелла
- Распределение модулей скоростей молекул
- Наиболее вероятная скорость молекул
- Роль быстрых молекул
- § 4.7. Измерение скоростей молекул газа
- Средняя скорость теплового движения молекул
- Экспериментальное определение скоростей молекул
- Средняя скорость броуновской частицы
- § 4.8. Внутренняя энергия идеального газа
- Внутренняя энергия молекулярных газов
- § 4.9. Примеры решения задач
- Упражнение 3
- Глава 5. Законы термодинамики
- § 5.1. Работа в термодинамике
- Работа в механике и термодинамике
- Вычисление работы
- Геометрическое истолкование работы
- § 5.2. Количество теплоты
- Калориметрические опыты
- Количество теплоты. Уравнение теплового баланса
- Теплоемкость
- § 5.3. Эквивалентность количества теплоты и работы
- Опыты Джоуля
- Механический эквивалент теплоты
- § 5.4. Закон сохранения энергии. Внутренняя энергия
- Закон сохранения энергии
- Внутренняя энергия
- Зависимость внутренней энергии от макроскопических параметров
- § 5.5. Первый закон термодинамики
- Первый закон термодинамики
- Суть первого закона термодинамики
- Невозможность создания вечного двигателя
- Работа и количество теплоты — характеристики процесса изменения энергии
- § 5.6. Теплоемкости газа при постоянном объеме и постоянном давлении
- Теплоемкость газа при постоянном объеме Найдем молярную теплоемкость газа при постоянном объеме. Согласно определению теплоемкости
- Теплоемкость газа при постоянном давлении
- Теплоемкость идеального газа при изотермическом процессе
- § 5.7. Адиабатный процесс
- Теплообмен в замкнутой системе
- § 5.8. Необратимость процессов в природе
- § 5.9. Второй закон термодинамики
- § 5.10. Статистическое истолкование необратимости процессов в природе
- Противоречие между обратимостью микропроцессов и необратимостью макропроцессов
- Житейский пример необратимости
- Микроскопическое и макроскопическое состояния
- Вероятность состояния
- Переход системы к наиболее вероятному состоянию
- Расширение «газа» из четырех молекул
- Необратимость расширения газа с большим числом молекул
- Стрела времени
- Границы применимости второго закона термодинамики
- «Демон Максвелла»
- § 5.11. Тепловые двигатели
- Простейшая модель тепловой машины
- Принципы действия тепловых двигателей
- Роль холодильника
- Кпд теплового двигателя
- Применение тепловых двигателей
- Тепловые двигатели и охрана природы
- § 5.12. Максимальный кпд тепловых двигателей
- Идеальная тепловая машина Карно
- Идеальная холодильная машина
- Тепловой насос
- Максимальный кпд тепловых машин (теорема Карно)
- Кпд реальных тепловых машин
- § 5.13. Примеры решения задач
- Вычитая почленно из второго уравнения первое, получим
- Упражнение 4
- Глава 6. Взаимные превращения жидкостей и газов
- § 6.1. Испарение жидкостей
- Испарение
- Молекулярная картина испарения
- Конденсация пара
- Охлаждение при испарении
- Испарение твердых тел
- § 6.2. Равновесие между жидкостью и паром
- Насыщенный пар
- Ненасыщенный пар
- § 6.3. Изотермы реального газа
- Давление насыщенного пара
- Семейство изотерм реального газа
- Зависимость давления и плотности насыщенного пара от температуры
- § 6.4. Критическая температура. Критическое состояние
- Критическая температура
- Критическое состояние
- Плотность жидкости и ее насыщенного пара при критической температуре
- Экспериментальное исследование критического состояния
- Диаграмма равновесных состояний газа и жидкости
- § 6.5. Кипение
- Зависимость температуры кипения жидкости от давления
- Различие температур кипения жидкостей
- § 6.6. Теплота парообразования
- Зависимость удельной теплоты парообразования от температуры
- § 6.7. Сжижение газов
- Установки для сжижения газов
- Хранение жидких газов
- Применение сжиженных газов
- Значение сжижения газов для научных исследований
- § 6.8. Влажность воздуха
- Парциальное давление водяного пара
- Абсолютная влажность
- Относительная влажность
- Точка росы
- Гигрометр
- Волосной гигрометр
- Психрометр
- Значение влажности
- § 6.9. Примеры решения задач
- Упражнение 5
- Глава 7. Поверхностное натяжение в жидкостях
- § 7.1. Поверхностное натяжение
- Поверхностные эффекты
- Поверхность жидкости стремится к сокращению
- § 7.2. Молекулярная картина поверхностного слоя
- Происхождение сил поверхностного натяжения
- Молекулярная картина поверхностного слоя
- § 7.3. Поверхностная энергия
- Поверхностное натяжение
- § 7.4. Сила поверхностного натяжения
- Измерение силы поверхностного натяжения
- От чего зависит сила поверхностного натяжения?
- Измерение коэффициента поверхностного натяжения
- Зависимость поверхностного натяжения от примесей
- § 7.5. Смачивание и несмачивание
- Явления на границе жидкость — твердое тело
- Значение смачивания
- § 7.6. Давление под искривленной поверхностью жидкости
- Влияние кривизны поверхности на давление внутри жидкости
- Избыточное давление под сферической поверхностью жидкости
- § 7.7. Капиллярные явления
- Высота поднятия жидкости в капиллярных трубках
- Капиллярные явления в природе, быту и технике
- § 7.8. Примеры решения задач
- Упражнение 6
- Глава 8. Твердые тела и их превращение в жидкости § 8.1. Кристаллические тела
- Кристаллы
- Монокристаллы и поликристаллические тела
- Форма и размеры кристаллов
- Полиморфизм
- Анизотропия кристаллов
- § 8.2. Кристаллическая решетка
- Четыре типа кристаллов
- Молекулярные кристаллы
- Ковалентные кристаллы
- Ионные кристаллы
- Металлические кристаллы
- Строение кристалла объясняет его свойства
- § 8.3. Аморфные тела
- Сходство аморфных тел с жидкостями
- Переход аморфных тел в кристаллические
- Ближний порядок
- Объяснение свойств аморфных тел
- § 8.4. Жидкие кристаллы
- Молекулы жидких кристаллов
- Нематические жидкие кристаллы
- Смектические жидкие кристаллы
- Холестерические* жидкие кристаллы
- Применение жидких кристаллов
- § 8.5. Дефекты в кристаллах
- Точечные дефекты
- Дислокации
- Винтовая дислокация
- Рост кристаллов
- § 8.6. Объяснение механических свойств твердых тел на основании молекулярно-кинетической теории
- Механизм пластических деформаций
- Дислокации и прочность твердых тел
- § 8.7. Плавление и отвердевание
- Плавление кристаллических тел
- Плавление аморфных тел
- Отвердевание кристаллических и аморфных тел
- Объяснение плавления и отвердевания на основании молекулярно-кинетической теории
- Переохлаждение жидкости
- § 8.8. Теплота плавления
- Удельная теплота плавления
- Теплота кристаллизации
- Роль теплоты плавления льда и кристаллизации воды в природе
- Сопло космической ракеты
- Фазовые переходы. Сублимация
- § 8.9. Изменение объема тела при плавлении и отвердевании. Тройная точка
- Объяснение «странного» поведения льда и воды
- Вода и лед в природе
- Зависимость температуры плавления от давления
- Тройная точка
- § 8.10. Примеры решения задач
- На плавление льда пошло количество теплоты
- Следовательно, согласно закону сохранения энергии
- Упражнение 7
- Глава 9. Тепловое расширение твердых и жидких тел
- § 9.1. Тепловое расширение тел
- Молекулярная картина теплового расширения
- § 9.2. Тепловое линейное расширение
- § 9.3. Тепловое объемное расширение
- Связь между коэффициентами линейного и объемного расширения
- Зависимость плотности вещества от температуры
- Пользуясь формулой (9.3.3), можно записать
- Пренебрегая выражением (αΔt)2по сравнению с единицей, получим
- Тепловое расширение жидкостей
- Особенности расширения воды
- § 9.4. Учет и использование теплового расширения тел в технике
- Учет теплового расширения тел
- Использование теплового расширения в технике
- Терморегулятор
- § 9.5. Примеры решения задач
- Образовавшийся зазор между пробкой и горлышком составит
- Подставляя числовые значения величин, найдем
- Упражнение 8
- Ответы к упражнениям
- Содержание