0:05
День добрый, уважаемые коллеги!
Продолжаем разговор о физике.
Мы говорим о тепловых явлениях,
связываемых с механическим движением
составляющих нагретые вещества молекул и атомов.
В прошлом эпизоде мы вывели
уравнение состояния
для простейших состояний вещества,
которыми является разряженные газы,
в которых можно пренебречь
потенциальной энергией взаимодействия
отдельных молекул друг с другом
и считать, что они как бильярдные шарики
летают-летают, время от времени
просто соударяясь друг с другом.
Учитывать их только кинетическую энергию
при вычислении внутренней энергии
и вот для таких простых состояний вещества,
мы нашли уравнение, связывающее силу,
которая оказывает газы на стенки сосудов,
куда они помещены, — давление,
с их температурой и количеством вещества,
в том или ином объеме помещенном, —
с концентрацией молекул в единице объема.
Попробуем практически немного
побольше поговорить про найденные закономерности.
Опять будем говорить о газе,
как о самом простом состоянии вещества.
Газы занимают весь предоставленный им объем.
Если этот объем увеличивать,
они способны расширяться.
Они способны сами расширять сосуд,
в котором они находятся,
если давление достаточно велико
и сосуд мягкий, подвижный
и позволяет себя расширить.
Их можно сжимать внешними силами.
Сжатие и расширение — движение,
которому соответствует механическая энергия.
Механическая работа, которую надо совершить,
чтобы сжать газ или механическая работа,
которую должен совершить газ,
чтобы расшириться.
Откуда может взяться эта работа?
2:01
К газу можно подвести тепловую энергию.
Начать его нагревать.
И тогда подведенная тепловая энергия
может пойти и на увеличение внутренней энергии газа,
и на совершение газом работы — на его расширение.
Вот это элементарное уравнение баланса,
называется первым началом термодинамики
и является, по сути дела,
выражением основного закона,
который, мы знаем, действует и в механике,
очень важным, законом сохранения энергии:
она не исчезает и не появляется ни откуда.
Была энергия в механической форме.
Я могу совершить работу над газом
и отдать эту энергию газу,
увеличив его внутреннюю энергию.
Была энергия в тепловой форме.
Я могу нагретое тело прислонить к баллону
с относительно холодным газом.
Передать газу тепловую энергию
и тем самым увеличить его внутреннюю энергию.
Или заставить газ совершить работу,
расширяя свой объем.
2:59
Иногда в книгах и в задачах,
тех, кто изучает физику в регулярных курсах,
сопровождает путаница определенная.
Говорят о работе газа,
о работе, совершенной над газом.
Вот чтобы не было никакой путаницы,
давайте запомним. Если газ расширяется,
он совершает работу положительную.
Если газ сжимается,
над ним совершают работу положительную,
можно сказать, что сам газ совершает,
как бы работу отрицательную.
Со знаком минус она должна войти как бы работу отрицательную.
Со знаком минус она должна войти
вот в это уравнение баланса,
которое вы видите на экране.
4:01
Да ими заполнена наша жизнь.
Автомобиль — тепловая машина,
паровоз — тепловая машина, но, правда,
паровозов уже нет, но автомобили пока еще есть.
Это механизм, который умеет тепловую энергию
превращать в механическую работу.
Вот, скажем, самый простой и стандартный способ
выполнения этого задания —
превращение тепловой энергии в работу —
это циклический четырехтактный двигатель.
Ну вот схема принципиальная,
иллюстрирующая принцип его работы,
выведена на экран.
Вам нужно обеспечить, чтобы этот двигатель
то и дело повторял одно и то же, так сказать,
какое-то изменение с тем, чтобы это изменение
можно было повторить много-много раз,
чтобы двигатель работал долго.
Если я возьму какой-то баллон,
заполню его газом,
сделаю у него подвижный поршень,
т. е. поршень, который способен
подниматься и опускаться.
Соответственно, если газ расширяется,
он поднимается, сжимается — опускается.
Соединю к этому поршню
какой-нибудь твердый штырь,
который будет толкать какой-нибудь объект,
т. е. совершать механическую работу.
Я могу греть газ, он будет расширяться,
штырь будет двигаться прямо,
совершать механическую работу,
но это долго не будет продолжаться,
когда-то баллон кончится.
Я же не могу сделать баллон длиной в 200 км.
Да и 200 км рано или поздно кончатся.
Поэтому чтобы двигатель работал долго,
мне нужно сделать периодический процесс,
чтобы происходило то расширение, то сжатие,
но при этом, чтобы каждый раз совершалась
какая-то механическая работа, желательно полезная.
Вот стандартная схема:
берем баллон с газом, закрываем поршнем.
Поршень может двигаться.
Толкать через какую-то передачу механическую,
например, колесо и заставлять это колесо крутиться.
Как устроить механическую передачу —
инженерный вопрос.
Грею газ, т. е. подсоединяю баллон с газом
к чему-то сильно нагретому.
Это сильно нагретое отдает тепло газу.
Газ расширяется, толкает поршень вперед.
Затем, когда, размеры баллона,
цилиндра с газом исчерпаны.
Я отсоединяю нагретое тело — нагреватель
и подсоединяю, подключаю холодильник —
холодный какой-то объект,
которому газ отдает тепло,
и при этом работа, совершаемая газом,
становится отрицательной.
Газ сжимается, опять тащит за собой поршень,
опять тащит за собой штифт
и, может, продолжает полезное вращение.
Как это сделать? Опять-таки вопрос инженерный.
И так вот такт за тактом.
Подсоединяю то нагреватель, то холодильник,
то нагреватель, то холодильник.
Спрашивается: как работа совершаемая механическая
связана с количеством тепла,
которое я вынужден подводить от нагревателя?
А это расход топлива, например,
нагреватель, чтоб быть постоянно горячим
должен подогреваться каким-то топливом.
Расход топлива, значит расход денег.
Как подводимые джоули соотносятся
с количеством механической полезной работы,
которую способен этот двигатель выполнить?
7:14
Должен выполняться баланс энергии.
Раз у меня все время происходит то нагревание,
то передача тепла холодильнику.
Вторая часть процесса неизбежна.
Обязательно неизбежна.
Иначе я не совершу цикла.
Нельзя только греть.
Надо все время возвращаться в исходное состояние:
то нагревать, то охлаждать, то нагревать, то охлаждать.
То по уравнению баланса энергии
в механическую работу может преобразоваться
только разность этих двух величин.
Количество джоулей полученного тепла
минус количество джоулей отданного тепла.
Можно ввести понятие
коэффициента полезного действия двигателя —
это механическая работа,
равная количеству полученного тепла
минус количество отданного,
если разделить на количество полученного,
это будет число меньше единицы.
Его можно выразить в процентах.
Ну и вот оно называется коэффициентом полезного действия.
Чем оно больше, чем ближе к единице,
тем двигатель, вроде как, лучше.
Какой двигатель может быть самым лучшим?
Как организовать процесс нагревания-охлаждения?
8:14
Я скажу так: опыт показывает,
но в следующем цикле мы это докажем
теоретически строго,
что самый идеальный двигатель,
к сожалению, инженерно очень трудно воплощаемый,
но самый идеальный, который мог бы быть,
который даст максимально возможный КПД —
это так называемый двигатель Карно,
по имени инженера французского, жившего 200 лет назад.
Этот цикл Карно устроен так,
что у меня происходит сперва нагревание,
достаточно быстрое.
Такой процесс называется адиабатическим.
Потом в течение какого-то времени
температура остается постоянной.
Такой процесс называется изотермическим.
Потом охлаждение достаточно быстрое
адиабатическое.
И опять какое-то время
температура остается постоянной,
равной температуре холодильника.
Процесс изотермический.
Вот в таком цикле можно достичь
величины КПД равной разности температур
нагревателя и холодильника
и поделить на температуру нагревателя.
И большей достичь нельзя никаким другим циклом.
Что мы докажем в следующем модуле.
А пока до свидания!