Конспект лекций по УД Физика (1 курс, СПО, технический профиль ). Конспект лекций для студентов 1 курса всех форм обучения Специальность 19. 02. 10 Технология продукции общественного питания
 Скачать 4.41 Mb.
|
|
9.8. Цикл Карно. Наиболее простым по содержанию, но важным в принципиальном отношении, является цикл Карно. Он состоит из двух изотерм при температурах Т1 и Т2 между состояниями 1, 2 и 3, 4 и двух адиабат между состояниями 2, 3 и 4, 1. Направление цикла указано стрелками. При выполнении цикла Карно необходимы два термостата. Термостат с более высокой температурой T1 называется нагревателем, а с более низкой температурой Т2 – холодильником. При прохождении адиабатических участков цикла система должна быть изолирована от окружающей среды в тепловом отношении, т. е. не должна обмениваться теплом с окружающей средой. КПД цикла Карно равен  .КПД определяется лишь температурами нагревателя и холодильника и не зависит от рода рабочего вещества. Из последнего уравнения следуют выводы: 1. Для повышения КПД тепловой машины нужно увеличивать температуру нагревателя и уменьшать температуру холодильника. 2. КПД тепловой машины всегда меньше 1. 9.9. Второе начало термодинамики Первое начало термодинамики устанавливает количественное соотношение между количеством теплоты, работой и изменением внутренней энергии тела, но оно не определяет направления течения процессов. С точки зрения первого начала термодинамики, одинаково возможен переход энергии в форме теплоты как от более нагретого к менее нагретому телу, так и наоборот. Второе начало термодинамики определяет направление процессов, происходящих в природе и связанных с превращением энергии. Превращение теплоты в работу возможно только при наличии нагревателя и холодильника; во всех тепловых машинах полезно используется только часть энергии, передаваемая от нагревателя к холодильнику. Иначе говоря, ни один тепловой двигатель, включая двигатель внутреннего сгорания, не может дать КПД, равный единице. Существует несколько формулировок второго начала термодинамики: 1. «Коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины определяется только температурами теплоотдатчика и теплоприемника» (С. Карно). 2. «В природе невозможен процесс, единственным результатом которого был бы переход теплоты полностью в работу» (М.Планк). 3. «Теплота не может сама собой переходить от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой» (Р. Клаузиус). Второе начало отрицает возможность использования запасов внутренней энергии какого-либо источника без перевода ее на более низкий температурный уровень, т. е. без холодильника. Например, практически неограниченные запасы внутренней энергии океанов не могут быть полностью использованы, поскольку, как только температура океана станет ниже температуры окружающей среды, произойдет процесс, в котором должен осуществляться переход теплоты от более холодного к более горячему телу, а такой процесс самопроизвольно протекать не может. Таким образом, второе начало термодинамики утверждает невозможность построения вечного двигателя второго рода, т. е. двигателя, работающего за счет охлаждения какого-либо одного тела. Вопросы для самоконтроля: 1. Каким методом исследования свойств макроскопических систем пользуется термодинамика? 2. Что называют термодинамической системой? 3. Что называют термодинамическим процессом? 4. Дайте определение внутренней энергии системы. 5. От чего зависит внутренняя энергия идеального газа? 6. Какие формы передачи энергии вам известны? 7. Какова разница между теплоемкостью тела и удельной теплоемкостью? 8. Сформулируйте первое начало термодинамики. 9. Дайте определение адиабатного процесса. 10. Дайте определение обратимого и необратимого процессов. 11. От чего зависит КПД тепловой машины? 12. Сформулируйте второе начало термодинамики. 13. Приведите примеры известных вам тепловых двигателей. Лекция № 10. Свойства паров Цель: объяснить явления испарения, конденсации, кипения и выяснить условия, от которых зависят эти процессы; ввести понятие «насыщенный пар»; объяснить понятие «влажность воздуха», показать практическое применение и важность данной физической величины. Основные понятия: Парообразование – явление перехода вещества в пар называется. Испарение и кипение – формы парообразования. Конденсация – явление перехода пара в жидкое состояние. Динамическое равновесие пара и жидкости – состояние, при котором за одно и то же время испаряется и конденсируется одинаковое число молекул пара. Насыщенный пар – пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью. Абсолютная и относительная влажность воздуха – физические величины, показывающие количество водяных паров в воздухе. Точка росы – это температура, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным. 10.1. Испарение. Молекулы газов и жидкостей хотя и малы по размерам, но имеют конечные размеры и определенную форму и между ними существуют довольно значительные силы взаимодействия. В этом состоит главное отличие реальных газов и жидкостей от идеальных, как упрощенной модели реальных объектов. При изучении идеальных газов отмечалось, что многие его свойства не зависят от природы газа. Однако чем ниже температура и больше давление, тем заметнее зависимость свойств газа от его природы. Газ в таких условиях называют паром, тем самым указывая, что он образовался из определенной жидкости. Явление перехода вещества в пар называется парообразованием. В природе парообразование происходит в виде испарения и кипения. Парообразование с открытой поверхности жидкости называется испарением. Испаряются не только жидкости, но и твердые тела. Испарение твердых тел называется сублимацией. Рассмотрим процесс испарения жидкостей. Так же как диффузия, испарение происходит вследствие непрерывного хаотического движения молекул жидкости. Всякая молекула, движущаяся из глубины жидкости к ее поверхности, испытывает в поверхностном слое действие силы, препятствующей вырыванию молекулы с поверхности жидкости. Чтобы пройти сквозь поверхностный слой, молекула должна обладать достаточной кинетической энергией для совершения работы выхода с поверхности жидкости. Скорости молекул жидкости, как и молекул газа, различны. Жидкость покидают наиболее «быстрые» молекулы, вследствие чего средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, что ведет к понижению температуры жидкости. Для поддержания постоянной температуры жидкости ей необходимо сообщать энергию извне, например, в виде теплоты. Количество теплоты Q, необходимое для превращения в пар 1 кг жидкости при постоянной температуре, называется удельной теплотой парообразования:  .В СИ удельная теплота парообразования выражается в джоулях на килограмм (Дж/кг). После того как молекула жидкости переместилась от границы поверхностного слоя на расстояние, большее радиуса действия молекулярных сил жидкости, она становится молекулой пара. Молекулярные силы действуют на сравнительно коротких расстояниях (порядка 10 нм). 10.2. Конденсация. В результате хаотического движения над поверхностью жидкости молекула пара, попадая в сферу действия молекулярных сил, вновь возвращается в жидкость. Этот процесс называют конденсацией. При конденсации пара некоторой массы выделяется столько энергии, сколько затрачивается при испарении жидкости такой же массы. Испарение жидкости происходит при любой температуре и тем быстрее, чем выше температура, больше площадь свободной поверхности испаряющейся жидкости и быстрее удаляются образовавшиеся над жидкостью пары. Если жидкость находится в открытом сосуде, то молекул испаряется больше, чем конденсируется, и масса жидкости уменьшается. Следует обратить внимание, что процесс парообразования связан с увеличением внутренней энергии вещества, а процесс конденсации – с уменьшением ее. Следовательно, конденсация и парообразование происходят только в процессе обмена энергией между окружающей средой и веществом. 10.3. Насыщенный пар и его свойства Пусть жидкость находится в замкнутом сосуде, из которого откачан воздух. Вначале число молекул, испарившихся из жидкости, растет, но чем больше число молекул пара, тем больше молекул конденсируется. В том случае, когда число молекул пара все же увеличивается, пар, находящийся над жидкостью, называют ненасыщенным. Если за одно и то же время число испаряющихся и конденсирующихся молекул пара одинаково, то число молекул пара над жидкостью будет оставаться постоянным. Такое состояние называют динамическим равновесием пара и жидкости. Пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью, называют насыщенным. Ненасыщенный пар подчиняется газовым законам. Чем дальше состояние пара от насыщения, тем лучше он подчиняется законам Бойля - Мариотта, Гей-Люссака. С увеличением числа молекул пара над поверхностью жидкости при неизменной температуре его давление увеличивается. Оно достигает максимального значения, когда пар становится насыщенным. Давление насыщенного пара определяется концентрацией молекул пара и температурой. Рассмотрим, как зависит давление насыщенного пара при неизменной температуре от его объема. Увеличим вместимость сосуда, в котором находятся жидкость и ее насыщенный пар, тогда концентрация молекул пара и его плотность уменьшатся. Молекулы пара будут реже попадать в жидкость. Динамическое равновесие нарушится. При постоянной температуре число испаряющихся молекул не изменится, т. е. испарение будет преобладать над конденсацией. Это будет происходить до тех пор, пока вновь не установится динамическое равновесие. Таким образом, концентрация молекул, а, следовательно, и давление насыщенного пара над свободной поверхностью жидкости при постоянной температуре не зависит от объема. Если вся жидкость испарилась, а объем сосуда продолжает увеличиваться, то концентрация молекул пара уменьшается, а, следовательно, уменьшается давление пара, пар становится ненасыщенным. Если, наоборот, сжимать ненасыщенный пар, то, в конце концов, все вещество может перейти в жидкое состояние, дальнейшее сжатие жидкости вследствие ее малой сжимаемости потребует резкого увеличения давления. Давление насыщенного пара не зависит от его объема, но зависит от температуры. При увеличении температуры из жидкости станет испаряться большее число молекул. Динамическое равновесие нарушится. Концентрация молекул пара будет расти до тех пор, пока снова не установится динамическое равновесие. В этом случае концентрация, а значит, и давление будут большими. Итак, с возрастанием температуры давление насыщенных паров увеличивается. Состояние насыщенного пара приближенно описывается уравнением состояния идеального газа. Давление насыщенного пара  . Если сосуд, в котором находится насыщенный пар, предварительно был тщательно очищен от центров конденсации, т. е. пылинок, то можно получить пересыщенный пар, т. е. пар, давление которого выше, чем это соответствует давлению насыщенного пара при данной температуре. 10.4. Абсолютная и относительная влажность воздуха. В природе много открытых водоемов, с поверхности которых идет непрерывное испарение воды. Поэтому в состав атмосферы входят и пары воды. Количество водяных паров в воздухе характеризует его абсолютную влажность D – величину, показывающую, какая масса паров воды находится в 1 м3 воздуха. Кроме абсолютной влажности необходимо знать и степень насыщения воздуха паром, которая характеризуется его относительной влажностью – величиной, равной отношению абсолютной влажности D к количеству водяного пара D0 в 1 м3, насыщающего воздух при данной температуре, и выраженной в процентах:  . Если воздух не содержит паров воды, то его абсолютная и относительная влажность равна нулю (но такого в природе не бывает). 10.5. Точка росы. Абсолютную влажность воздуха можно определить по точке росы. Точка росы – это температура, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным. Значения D0 для разных температур даются в справочных таблицах. Таким образом, зная точку росы и температуру воздуха и взяв из таблиц значения D и D0, можно определить f. Приборы для определения влажности воздуха называются гигрометрами. Работа простейшего гигрометра основана на том, что обезжиренный человеческий волос удлиняется при увеличении влажности воздуха. Проградуировав предварительно прибор, можно по длине волоса непосредственно определять относительную влажность. Волосяной гигрометр применяют в тех случаях, когда в определении влажности воздуха не требуется большой точности. Более точно влажность воздуха определяют с помощью психрометра. Он состоит из двух термометров, резервуар одного из них обернут марлей, опущенной в сосуд с водой. Вода, поднимаясь по капиллярам марли, смачивает резервуар термометра. Если воздух не насыщен водяным паром, то вода с марли испаряется, охлаждая термометр, поэтому термометр с влажным резервуаром покажет более низкую температуру, чем термометр с сухим резервуаром. Чем суше воздух, тем больше разность показаний сухого и мокрого термометров. По этой разности из психрометрических таблиц определяют относительную влажность воздуха. Если воздух насыщен водяным паром, то показания термометров будут одинаковыми, относительная влажность составит 100%, что возможно, например, во время дождя, тумана и т. п. 10.6. Кипение. Испарение жидкости происходит с ее свободной поверхности при любой температуре. Чем выше температура, тем быстрее идет испарение. Кипением называется процесс бурного парообразования не только с поверхности жидкости, но и по всему ее объему. Для этого жидкость должна быть нагрета до достаточно высокой температуры. При кипении важную роль играют пузырьки газа, имеющиеся в жидкости. Такие пузырьки образуются на границе жидкости и твердого тела. Пузырьки заполнены насыщенным паром жидкости. При повышении температуры жидкости давление пара в пузырьке возрастает и его объем увеличивается. Выталкивающая сила, действующая на пузырек по закону Архимеда, возрастает с ростом его объема. При определенных условиях она станет больше силы сцепления между пузырьками и твердой стенкой. В этом случае пузырек отрывается от стенки, всплывает и лопается, выбрасывая пар. Кипение жидкости возможно в том случае, если в ней имеются пузырьки достаточно больших размеров (для воды порядка миллиметра). Кипение начнется в том случае, когда давление насыщенного пара станет равно внешнему давлению над поверхностью жидкости. Давление насыщенного пара определяется только температурой жидкости. Точка кипения зависит от внешнего давления – с ростом внешнего давления растет и точка кипения. Точка кипения воды при разных давлениях может быть найдена с помощью специальной таблицы. Количество теплоты, необходимой для превращения жидкости в пар, нагретой до температуры кипения, определяется по формуле  , где r – удельная теплота парообразования, m – масса жидкости, превращенной в пар. Вопросы для самоконтроля: 1. Что называется испарением? конденсацией? 2. От каких условий зависит скорость испарения жидкости? 3. Как объяснить испарение с точки зрения молекулярно-кинетической теории? 4. Приведите примеры насыщенных и ненасыщенных паров. 5. Объясните независимость давления насыщенного пара при постоянной температуре от объема. 6. Что такое абсолютная влажность воздуха? относительная влажность воздуха? 7. Объясните термин «точка росы». 8. Какой процесс называют кипением? Какова зависимость температуры кипения от давления. 9. Что такое перегретый пар? Как его получить? Лекция № 11. Свойства жидкостей Цель: познакомиться со свойствами жидкого состояния вещества; объяснить особенности взаимодействия молекул поверхностного слоя; ввести понятие «поверхностное натяжение»; познакомиться с явлением смачивания и его проявлениями. Основные понятия: Жидкость – это агрегатное состояние вещества, промежуточное между газообразным и твердым. Поверхностное натяжение – наличие силы, которая действует вдоль поверхности жидкости, перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность. Смачивание – явление, приводящее к искривлению свободной поверхности жидкости у поверхности твердого тела. Капиллярные явления – подъем или опускание жидкости в узких трубках-капиллярах вследствие явления смачивания. 11.1. Характеристика жидкого состояния вещества Жидкость – это агрегатное состояние вещества, промежуточное между газообразным и твердым. Однако жидкости, вследствие различного характера теплового движения молекул, существенно отличаются от газов и твердых тел. Ответ на вопрос, к чему ближе свойства жидкостей (к газу или твердому телу), зависит от того, при каких температурах и давлениях проводят это сравнение. Если силы молекулярного взаимодействия в газах начинают проявляться при низких температурах и больших давлениях, то в жидкостях эти силы играют основную роль. Молекулярное давление в жидкостях очень велико. Обратим внимание, что молекулярное давление – это не давление в том смысле, как оно понималось в газовых законах, а условное обозначение величины, учитывающей действие молекулярных сил. Удельный объем жидкостей в тысячи раз меньше удельного объема газа; следовательно, молекулярное давление в жидкостях в миллионы раз больше, чем в газах. Расчет молекулярного давления для воды дает значение около 1100 МПа. Молекулярное давление может быть вычислено по той работе, которую совершают молекулы, проходя через поверхностный слой жидкости. Если жидкость находится в состоянии равновесия, то молекулы жидкости колеблются около некоторого положения равновесия. В этом случае силы притяжения уравновешены силами отталкивания. Из-за большого молекулярного давления жидкость практически несжимаема. Действительно, находясь под огромным молекулярным давлением, жидкость практически не реагирует на изменения внешнего давления. Жидкость обладает свойством текучести, приобретает форму сосуда, в котором она находится. Рассмотрим отдельную молекулу, находящуюся внутри большого объема жидкости. На эту молекулу действуют соседние молекулы, находящиеся на расстоянии r0 1 нм (радиус молекулярного взаимодействия). Если радиусом молекулярного взаимодействия ограничить сферу, в центре которой находится рассматриваемая молекула, то в этой области расположатся все молекулы, воздействию которых подвергается данная молекула. Так как плотность жидкости одинакова по всему объему, то равнодействующая молекулярных сил, действующих на рассматриваемую молекулу, равна нулю. Молекулы жидкости притягиваются друг к другу, но так как результирующая сил притяжения равна нулю, то никаких перемещений молекул под действием этих сил не происходит. 11.2. Поверхностный слой жидкости. Энергия поверхностного слоя Если молекула находится вблизи поверхности, то действие на нее других молекул уже не уравновешивается и приводит к появлению равнодействующей силы, направленной внутрь жидкости. Для увеличения свободной поверхности жидкости часть молекул должна перейти из объема в поверхностный слой, а для этого необходимо совершить некоторую работу. Поэтому существование поверхности жидкости связано с дополнительной энергией. Поверхностная энергия – это избыток потенциальной энергии молекул в поверхностном слое по сравнению с энергией молекул в объеме вдали от границы. Сила поверхностного натяжения – это сила, которая действует вдоль поверхности жидкости, перпендикулярно линии (реальной или мысленной), ограничивающей эту поверхность. В существовании силы поверхностного натяжения можно убедиться с помощью следующих простых опытов. Наиболее наглядны опыты с использованием мыльной пленки. Положим петлю из нитки на мыльную пленку, полученную при обмакивании проволочного каркаса в мыльном растворе. Пока мыльная пленка внутри петли цела, петля сохраняет любую приданную ей форму (рис. а). Если же пленку внутри п  етли проткнуть, то нить принимает форму окружности (рис. б). Такая форма обеспечивает минимальную площадь оставшейся на каркасе пленки и тем самым минимальное значение ее поверхностной энергии. Благодаря поверхностному натяжению жидкость в отсутствие внешних сил принимает форму шара, т. е. имеет минимальную при данном объеме поверхность и соответственно минимальную поверхностную энергию. Так бывает в невесомости, например в кабине космического корабля, где невозможно налить воду в стакан, и при свободном падении дождевых капель. Количественно поверхностное натяжение характеризуется отношением модуля F силы поверхностного натяжения, действующей на границу поверхностного слоя, к длине границы l, или, что то же самое, отношением поверхностной энергии Uпов к площади S поверхности:  . В случае плоской поверхности жидкости сила поверхностного натяжения не зависит от того, насколько поверхность «растянута». Строго говоря, само понятие «растяжение» для такой поверхности лишено смысла: чтобы увеличивать площадь поверхности, вытягивая в поверхностный слой из объема все новые и новые молекулы, необходимо, в отличие от случая растягивания резиновой пленки, прикладывать постоянную силу, так как поверхностный слой, увеличиваясь по площади, не меняет своих свойств. Именно это свойство сил поверхностного натяжения приводит к эквивалентности двух определений величины в последней формуле. В самом деле, работа, совершаемая при перемещении ограничивающей мыльную пленку перемычки длиной l на расстояние х равна   , где  – увеличение площади поверхности одной стороны пленки (учтем, что у пленки две стороны). Эта работа равна приращению поверхностной энергии пленки . |