Цикл Карно - Реферат

Наконец более адекватное описание термодинамических процессов позволило объяснить природу множества вещей, происходящих вокруг, создать машины и механизмы, без которых современный человек не может обходиться и считает их само собой разумеющимися вещами. Цикл Карно назван в честь французского физика Никола Леонара Сади Карно (01.06.1796 - 24.08.1832 гг.). Свои идеи Сади Карно опубликовал в 1824 г. в форме фундаментального трактата "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу". Карно высказал также положение, что величина работы обусловлена разностью температур нагревателя и холодильника и не зависит от природы вещества, работающего в тепловой машине (теорема Карно). Теорема Карно вошла в термодинамику в качестве фундаментального принципа, а сама работа Карно, изложенная Клапейроном и напечатанная в 1843 г. на немецком языке в "Анналах" Поггендорфа, послужила исходным пунктом для исследований У.Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1-2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T1. Газ изотермически расширяется, совершая работу A12, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q1 = На этом участке газ совершает работу A23 > 0. На следующем изотермическом участке (3-4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T2 <T1.Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной. Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением т.е. эффективность работы холодильника - это количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы.Для проведения эксперимента нам потребуются следующие предметы: кастрюля с водой, бутылка, плотная пробка на бутылку, пластиковая трубочка, стакан с водой и газовая горелка (в домашних условиях будем использовать кухонную газовую плиту). Бутылку ставим в кастрюлю с водой и помещаем на газовую горелку. При нагревании воздух в бутылке расширяется и выполняется по прямому циклу Карно работа - воздух выходит из бутылки через трубку и в виде пузырьков через воду поступает в атмосферу. Затем, получив тепло, рабочее тело преобразует его в механическую работу - выталкивает из бутылки воздух. При остывании воздух внутри бутылки сжимается, давление внутри бутылки становится ниже окружающего атмосферного и через трубку в бутылку из стакана начинает затягиваться вода.Как было показано выше цикл Карно является идеальным тепловым процессом. При определенных условиях и с известными оговорками данный процесс можно считать эталонным и по современной общепринятой классической теории недостижимым в реальных машинах. Т.е. по сути говоря, идеальный цикл Карно - перпетум мобиле (вечный двигатель) воторого рода. Вечный двигатель первого рода - это устройство нарушающее первый закон термодинамики, он же закон сохранения энергии, второго рода - устройство, нарушающее второй закон термодинамики (на данном этапе развития науки достаточно необоснован и выступает в роли постулата).Не исключаю возможности, что и с помощью понятия "теплорода" во времена Карно теоретически можно было объяснить физические явления, скажем с введением в систему дополнительных понятий, ограничений. Есть мнение, что чем труднее модель, тем лучше развивается мозг, скажем, многие приводят пример китайского иероглифического письма. Во-вторых, китайское иероглифическое письмо и китайский язык несколько разные вещи, сам язык можно отнести к развивающемуся на интонационной стадии, да собственно и письмо весьма четко обозначает тенденции перехода на азбучное от иероглифического от соответственно предшествовавшего ему рунического. Помимо этого имеются еще соображения, что так или иначе модели должны упрощаться, в зависимости, естественно от решаемых задач, иначе можно просто "забуксовать и утонуть" в сложнейших вычислениях. Как и с китайским письмом - тратить время на попытки изложить новые явления ограниченным количеством имеющихся иероглифов, вместо попыток вникнуть в суть явлений.

Содержание

Введение

1. История возникновения "цикла Карно"

2. Физическое описание цикла Карно

3. Прямой и обратный цикл Карно

4. Экспериментальное определение КПД лабораторной установки, демонстрирующей цикл Карно

5. Примеры применения цикла Карно

Заключение

Литература

Целью данной НОУ является ознакомление с понятием цикла Карно в термодинамике.

Как я считаю, описание цикла Карно явилось одним из важнейших открытий в истории науки. Описание модели термодинамических процессов позволило упростить бытовавшие ранее взгляды, разрешить противоречия, которые присутствовали в предшествующих теориях. Наконец более адекватное описание термодинамических процессов позволило объяснить природу множества вещей, происходящих вокруг, создать машины и механизмы, без которых современный человек не может обходиться и считает их само собой разумеющимися вещами. К примеру: автомобили, поезда, холодильники, кондиционеры и многое другое.

Термодинамические закономерности явились теми первокирпичиками мира, не осознав которые невозможно двигаться дальше. Я думаю, что это одна из наиболее важных тем для осознания физики явлений. Попробуем доступно разобраться в этом вопросе.

В первой части работы будут изложены предпосылки и история становления понятия. Далее рассмотрим физическую сущность цикла Карно, примеры практического применения теоретических обоснований. В заключении подведем итоги изложенному и выскажем некие общие соображения по описываемой тематике. цикл карно прямой обратный

1. История возникновения "цикла Карно"

Цикл Карно назван в честь французского физика Никола Леонара Сади Карно (01.06.1796 - 24.08.1832 гг.). Собственно Карно предложил и обосновал принцип, получивший впоследствии название его имени. Скорее всего в связи с ранней смертью он не успел описать его в формулах. Однако высказанные в его работах формулировки позволяют однозначно поставить его одним из родоначальников термодинамики.

Карно занимался теоретическим обоснованием принципов работы паровых машин и предложил свою знаменитую модель идеального двигателя, о чем мы поговорим далее.

Свои идеи Сади Карно опубликовал в 1824 г. в форме фундаментального трактата "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу". В нем Карно рассмотрел в общем виде вопрос о "получении движения из тепла". Анализируя идеальный круговой процесс (известный сейчас как цикл Карно), он впервые пришел к выводу о том, что полезная работа производится только при переходе тепла от нагретого тела к более холодному. Карно высказал также положение, что величина работы обусловлена разностью температур нагревателя и холодильника и не зависит от природы вещества, работающего в тепловой машине (теорема Карно).

В своем дневнике он также писал: "Тепло не что иное, как движущая сила или, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тел; повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила. Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т.е. вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает". Если заменить слова "движущая сила" словом "энергия", то мы получим законченную формулировку закона сохранения энергии. Карно также приблизительно определил механический эквивалент теплоты.

Работа Карно была оценена лишь через два года после его смерти.Б. Клапейрон, повторив рассуждения Карно, ввел графический метод описания процессов. Теорема Карно вошла в термодинамику в качестве фундаментального принципа, а сама работа Карно, изложенная Клапейроном и напечатанная в 1843 г. на немецком языке в "Анналах" Поггендорфа, послужила исходным пунктом для исследований У. Томсона и Р. Клаузиуса, приведших к открытию второго начала термодинамики.

Та эпоха, во времена которой жил Карно, была эпохой становления паровых машин. 1774 год Джеймс Уатт изобрел первую универсальную паровую машину. Вплоть до 1800 годов различные изобретатели пытались применить принципы действия тепловых машин, во многом интуитивно и на уровне самоочевидных вещей. В начале 1800 годов в жизнь общества плотно начинают входить паровые машины - пароходы, паровозы, различные механизмы, работающие на тепловых принципах. И соответственно к этому времени была востребована теория, объясняющая процессы, происходящие в тепловых машинах.

До работ Карно, Клапейрона, Томсона, Клазиуса в физике тепловых процессов преобладала теория "теплорода" - некоей специфической неосязаемой материи, посредством которой происходит передача тепла. Собственно много отголосков таких воззрений остались "незамеченными атавизмами" в общепринятой на данный момент современной физике. Так имеется понятие тепла, которое от теплорода отличается по большому счету лишь окончанием слов. Теплота - мера внутренней кинетической энергии тел, а может мера внутренней кинетической энергии тел - средняя статистическая скорость движения его молекул. И постулаты, что тепло передается от более горячего к более холодному телу без прочих доказательств и ограничений сродни тому, что если ввести в рассмотрение термин пневмород - некую специфическую материю по передаче давления, то также можно постулировать закон передачи давления от большего меньшему.

Впрочем, к прекращению использования в науке теплорода приложил руку еще ранее наш знаменитый соотечественник Михайло Ломоносов в своей корпускулярно-кинетической теории.

Сейчас данные взгляды на природу явления развиты в классической молекулярно-кинетической теории.

Однако отголоски "теплорода" помимо явных атавизмов в молекулярно-кинетической теории находят свое отражение в современных гипотезах, скажем, электромагнитной теории теплоты.

Не все подвластно объяснению с помощью молекулярно-кинетической теории, например, почему молекулы с большей температурой концентрируются выше молекул с меньшей температурой в атмосфере Земли?

Можно перефразировать Сократа: Когда я кое-что начал понимать, я понял, что я ничего не понимаю… А другие и этого не понимают. Либо дословно по классику: "Я знаю, что я ничего не знаю… А другие и этого не знают".

Опишем цикл Карно, как его описывает классическая современная физика.

Одна из ценностей модели заключается в ее простоте. Не исключаю возможности, что и с помощью понятия "теплорода" во времена Карно теоретически можно было объяснить физические явления, скажем с введением в систему дополнительных понятий, ограничений. Но в этом случае, как минимум, мы бы получили весьма сложную и запутанную модель. Есть мнение, что чем труднее модель, тем лучше развивается мозг, скажем, многие приводят пример китайского иероглифического письма. Дескать, язык сложный, поэтому у китайцев лучше развивается мозг и они более предрасположены к различным изобретениям. Ну во-первых, весьма спорны моменты истории с различными "китайскими" изобретениями, как и сама "многотысячелетняя" история Китая. Во-вторых, китайское иероглифическое письмо и китайский язык несколько разные вещи, сам язык можно отнести к развивающемуся на интонационной стадии, да собственно и письмо весьма четко обозначает тенденции перехода на азбучное от иероглифического от соответственно предшествовавшего ему рунического. Помимо этого имеются еще соображения, что так или иначе модели должны упрощаться, в зависимости, естественно от решаемых задач, иначе можно просто "забуксовать и утонуть" в сложнейших вычислениях. Как и с китайским письмом - тратить время на попытки изложить новые явления ограниченным количеством имеющихся иероглифов, вместо попыток вникнуть в суть явлений. Не зря же существует фразеологизм - "китайская грамота".

Основная заслуга Карно и затем его последователей состоит в продвижении построения моделей термодинамических процессов, в становлении молекулярно-кинетической теории. С помощью данной теории стало возможно объяснение многих процессов, построение тепловых машин на основе открытых закономерностей. И хотя она не смогла объяснить многие феномены окружающего мира, для данного времени явилась прорывной.

Даже если впоследствии будут выдвинуты более точные теории, описывающие процессы окружающего мира, для частного моделирования вполне возможно останется достаточным предложенные в свое время теоремы Карно. Как к примеру в каких-то моделях вполне достаточно Ньютоновской механики без применения релятивистских и прочих теорий, т.е. когда можно пренебречь какими-то параметрами.

Тем не менее вполне возможно, что мы станем свидетелями становления новых, либо уточнения имеющихся физических воззрений, как скажем возможно на смену молекулярно-кинетической теории объяснения тепловых процессов придет теория электромагнитная, согласно которой тепло - такое же электромагнитное поле. Ведь молекулярно-кинетическая теория при всем уважении смогла обосновать передачу тепловой энергии только посредством теплопроводности, а еще имеется конвекция и излучение.

1) Физический смысл адиабатных процессов. П.И. Дубровский., статья в Интернете.

2) Курс физики: Учеб. Пособие для вузов / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - 4-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2002. - 718с.: ил.

3) Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Гл. ред. А.М. Прохоров. Изд. 3-е. М., "Советская Энциклопедия". 1976. Т. 25 - Струнино - Тихорецк. 1976. 600 с. с ил. 27 л. ил., 3 л. карт.

4) Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Гл. ред. А.М. Прохоров. Изд. 3-е. М., "Советская Энциклопедия". 1973. Т. 11 Италия - Кваркуш. 1973.608 с. с ил. 27 л. ил., 12 л. карт., 1 карта вкладка

Размещено на .ru