3.3: Теплові двигуни

Акцент цього курсу робиться на властивості матерії. Цей розділ не залежить від властивостей речовини! Він включений тому, що:

1. історично важливе

2. очікуване покриття (наприклад, для GRE)

3. Важливо з точки зору застосування та інженерії (Див., наприклад, «Ураганні теплові двигуни», H.E. Willoughby, Nature 401 (14 жовтня 1999) 649—650. Або «Термоакустичний тепловий двигун Стірлінга» С.Бакхаус і Г.В. Swift, Nature 399 (27 травня 1999) 335—338, і «Термоакустичний електричний генератор рухомих хвиль», С.Бакхаус, Е. Твард, і М. Петах, Прикладна фізика Листи 85 (9 серпня 2004) 1085—1087, щодо двигуна, який може замінити ядерні джерела теплової енергії в глибоких космічних місіях.)

4. захоплюючий

Цей розділ слідує за розділами Reif 3.1 та 5.11.

Теплові двигуни не включають електричні та хімічні двигуни (наприклад, м'язи). Теореми Карно до них не поширюються. Ім'я Карно - французьке, тому воно вимовляється «Car-no», а не «Car-not».

Проблеми

3.6 (I*) Цикл Карно

Опишіть цикл Карно. Завжди означає квазістатичний. Візьміть таке замовлення:

1. Розширюються при постійній Т = Т ₁ від А до В, знижуючи тиск. Поглинають тепло q ₁ від високотемпературної теплової ванни.

2. Розширюйте ще більше, адибатично, від В до С, знижуючи тиск ще більше.

3. Скорочення при постійній Т = Т ₂ від С до D, підвищуючи тиск. Вигніть тепло q ₂ в низькотемпературну теплову ванну.

4. Контрактуйте ще більше, адібатично, збільшуючи тиск ще більше, поки система не повернеться в початковий стан А.

3.7 (E) Цикл Карно

(Ця проблема вкрадена з тесту GRE Physics.)

Діаграма p-v для квазістатичного циклу Карно показана на сторінці Рейф 189. Ноги bc і da представляють ізотерми, тоді як ab і cd представляють адіабати. Через цикл abcd проводять систему, забираючи тепло q ₁ з гарячого резервуара при температурі Т ₁ і виділяючи тепло q ₂ в холодний резервуар при температурі Т ₂. Яке з наведених нижче тверджень є помилковим?

_{а. q 1/Т 1 = q 2/Т 2.}

б. зменшується ентропія гарячого водойми.

c Ентропія системи збільшується.

d Робота w дорівнює чистому поглиненому теплоті, q ₁ − q ₂.

е. ефективність циклу не залежить від робочої речовини.

3.8 (D) Цикл розрідження Карно

Припустимо, квазістатичний цикл Карно виконується з робочою речовиною пари, а не ідеальним газом. Крім того, припустимо, що цикл охоплює криву співіснування рідина-пара, так що коли робоча речовина знаходиться з великим об'ємом і низьким тиском, це пара, але коли вона знаходиться при низькому об'ємі і високому тиску, це рідка вода. Тоді (p, V) діаграма циклу нагадує наступне:

а. пояснити значення плоских частин ізотерм.

b З чотирьох точок A, B, C і D, які представляють рідину і які представляють газ?

c Нижче наведено перелік властивостей циклу Карно, виконаного ідеальним газом. Які з цих властивостей залишаються вірними для нашого циклу ліквідації Карно?

_{i. ККД дорівнює 1 − T 1/T 2.}

II. Адіабати BC і DA описуються pV ^γ = постійною.

iii. Виконана робота - це територія, укладена циклом.

IV. Більше.