Созидательный хаос

При всех естественных (прямых) процессах энтропия Вселенной возрастает. Однако возможны локальные уменьшения хаоса, которые сопровож­даются соответствующим (большим) увеличением хаоса где-либо в друге месте. Таким процессом может быть, например, сгорание топлива на электростанции, которая питает энергией холодильник. Всю ли выделившуюся в химической реакции энергию можно использовать для совершения работы? Например, при сгорании железа (Т = пост.) энтропия вселенной уменьшается (объем продукта реакции гораздо меньше объемов вступивших в реакцию компонент), поэтому всю выделившуюся в данной реакции теплоту нельзя превратить в работу ("противоестественный" процесс). Однако, если некоторая часть энергии покинет систему в виде теплоты, то в целом изменение энтропии вселенной может быть ΔS ≥ 0 и процесс станет спонтанным. Если энтропия вселенной в данной химической реакции убы­вает на ΔS, то для того чтобы скомпенсировать эту убыль, вселенной нужно передать Q_мин = ΔS∙Т, Тогда количество энергии, доступное им использования в качестве работы (свободная энергия F), определяется формулой: F = U – ΔSТ, где U – выделившаяся в данной реакции энергия (внутренняя энергия).

Предположим теперь, что в результате реакции энтропия реагирующей системы повысилась (продукты реакции занимают больший объем при Т = пост.). В этом случае можно произвести больше работы, чем выделилось энергии в виде тепла за счет передачи некоторого количества теплоты от окружающей среды к системе.

Важность понятия свободной энергии:

1. Ее величина показывает, какое количество энергии мы можем получить в результате химической реакции в форме, например, электрической энергии или произведенной работы.

2. Если свободная энергия в ходе реакции убывает (при совершении системой работы как ее внутренняя, так и соответствующая свободная энергии уменьшаются), то реакция, идущая в этом направлении является спонтан­ной, если возрастает – то “противоестественной”, требующей затрат энергии.

"Противоестественные" реакции обеспечивают жизнь (сгорание одной молекулы глюкозы приводит к образованию 38 (энергии достаточно для образования 93) молекул АТФ из АДФ (цикл Кребса в митахондриях), которые, переме­щаясь в клетке, вызывают “противоестественные” реакции, например, образование пептидной связи (белок)).

III. Задача: В сосуде находится по одному молю азота и аргона. Газы разделены перегородкой так, что объемы газов одинаковы. Как изменится энтропия Вселенной, если убрать перегородку?

IV. Вопросы:

1. Если стакан, наполненный чистой водой, и другой, наполненный подсла­щенной водой, поместить вместе в герметически закрытый ящик, то через день можно заметить, как чистая вода постепенно испаряется и конден­сируется в растворе сахара (последний переливается через край). Почему сахар равномерно распределяется по всей доступной жидкой воде?

2. Мог ли демон, открывая и закрывая заслонку, движущую без трения и инерции, разделить быстрые и медленные молекулы в сосуде? (Демон – броуновская частица; проблема обнаружения молекул).

3. Как написать самую бессмысленную бессмыслицу (в шапку положить 32 кар­тонки с буквами алфавита и один пробел; после каждого опыта картонку опускать обратно в шапку и тщательно перемешивать)?

4. Если молекула находится в одной из частей сосуда, разделенного подвиж­ной перегородкой, то способна ли она совершить полезную работу за счет охлаждения одного тела? (А _мах = k∙Т∙ln2, A_инф = k∙Т∙ln2).

5. "Века идут, года уходят,

Но все живущее - не сон:

Оно живет и превосходит

Вчерашней истины закон".

Н. Заболоцкий

О каком законе идет речь в стихотворении Н. Заболоцкого? Обсудите это стихотворение.

6. На основе второго закона термодинамики детально объясните реакцию сгорания (ржавления) железа. Правда ли, что наша кровь окрашена в цвет ржавчины не случайно?

"...повсюду, где существуем разность темпе­ратур,

... возможно получение движущей силы".

С. Карно

Урок 8. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учеников с принципом действия тепловых двига­телей и их практическими применениями,

ТИП УРОКА: Комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: Модель теплового двигателя, стеклянный медицинский шприц (20 мл), колба (100 – 150 мл), электрическая плитка, сосуд с холодной водой. Модель четырехтактного карбюраторного двигателя, диафильм “Тепловые двигатели”, справочник по физике и технике, кинофильм “Тепловые двигатели”.

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 5 мин

3. Объяснение 25 мин

4. Закрепление 10 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный:

Второй закон термодинамики.

Вопросы:

1. Какая из формулировок 2 – го закона термодинамики наиболее общая?

2. Возможен ли процесс, когда все переданное системе количество теплоты пошло на работу?

3. Не возникает ли у вас сомнения в справедливости второго закона термодинамики при наблюдении броуновского движения?

4. При образовании циклона или смерча происходит концентрация энергии. Не противоречит ли этот факт второму закону термодинамики?

5. Игра в бильярд начинается с разбивания пирамидки. Казалось бы, стоит разбежавшимся шарам придать те же ускорения, но обратного направления, как они вновь соберутся воедино. Почему этого не происходит?

6. Почему после интенсивного встряхивания ведра с картошкой крупный картофель оказывается наверху, а мелкий внизу? Аналогичные явления наблюдаются и с другими смесями. Не противоречит ли этот факт второму закону термодинамики?

III. Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Прямой процесс – превращение работы в тепло (трение и удар) – человек использовал еще на заре цивилизации, а обратный - 300 лет.

Работа пара (демонстрация). Работу может совершать и газ. Устройство теплового двигателя (объяснение на модели). В нагревателе порция пара получает количест­во теплоты Q₁ и ее температура становится Т₁. Работа пара (А′) при расширении. Как процесс сделать циклическим? Какую работу необходимо совершить нам (А) для возвращения порции пара в нагреватель? Каков КПД этого цикла (цикл нерадивого ученика)?

Холодильник. Порция пара отдает холодильнику количество теплоты Q₂ и ее температура становится T₂. Какую теперь работу необходимо произвес­ти для возвращения порции пара в нагреватель? Меньшую! Почему?

Формула для КПД теплового двигателя: А_П = А′ - А = Q₁ – Q₂;

Демонстрация принципа действия простейшего парового двигателя на действующей модели.

Отбирая энергию от нагревателя, мы уменьшаем число возбужденных атомов в нем (температуру), и, следовательно, степень беспорядка (уменьшаем число возможных перестановок). Передавая холодильнику, количество теп­лоты Q₂, мы значительно увеличиваем степень беспорядка в нем (увеличивается число возможных перестановок), Беспорядок во Вселенной возрастает с каждым циклом теплового двигателя.

На практике используются карбюраторные двигатели внутреннего сгорания (цикл Отто) и дизельные двигатели (цикл Дизеля). Объяснение на модели.

Турбореактивные и ракетные двигатели.

IV. Вопросы:

1. Становится ли прохладнее в зале, когда дамы обмахиваются веерами?

2. Почему во время рабочего хода дизеля давление в цилиндре двигателя падает ниже, чем во время рабочего хода бензинового двигателя?

3. Можно ли человеческий организм рассматривать как тепловой двигатель?

4. Возможны ли космические полеты с использованием двигателя внутреннего сгорания?

5. Можно ли использовать холодильную машину для охлаждения воздуха в квартире?

6. При растворении в воде некоторых веществ, например, гипосульфита, температура раствора понижается. Если использовать такой раствор в качестве холодильника, а окружающую среду – в качестве нагревателя, можно совершить некоторую работу. После высыхания раствора цикл повторяется. Не кроется ли здесь возможность создания вечного двигателя?

Задачи:

1. С идеальным одноатомным газом проведен замкнутый процесс, состоящий из двух изохор и двух изобар. Определить КПД теплового двигателя, работающего по этому циклу.

р₂ = 2р₁, V₂ = 3V₁.

2. Цикл бензинового двигателя внутреннего сгорания близок к циклу Отто, состоящему из двух адиабат и двух изохор. Вначале горючую смесь, которую можно, считать идеальным газом, сжимают без теплообмена с окружающей средой, потом изохорно нагревают (при сгорании топлива) на ΔТ₁ = 500 К, затем снова без теплообмена газ расширяется, совершая работу, и наконец, после изохорного охлаждения на ΔТ₂ = - 250 К газ возвращается в исходное состояние. Найти КПД цикла.

Дополнительная задача:

1. КПД тепловой машины, работающей по циклу, состоящему из изотермы 1 – 2, изохоры 2 – 3 и адиабаты 3 – 1, равен η, а разность максимальной и минимальной температур газа в цикле равна ΔТ. Найти работу, совершаемую ν молями идеального одноатомного газа в изотерми­ческом процессе.

V.

§§ 29,30 Упр. 6 № 15 – 16

1. Определите КПД выстрела из ружья.

2. Предложите проект и оцените КПД “ледяного двигателя”, использующего работу, совершаемую водой при замерзании и расширении.

3. Предложите проект и оцените КПД “резинового двигателя”, использующего работу, совершаемую резинкой при его нагревании горячей водой.

4. Предложите проект “резинового двигателя” для речного судна.

5. В полимерный шприц наберите некоторое количество воздуха, после чего сопло плотно закройте пальцем. Если поршень шприца быстро выдвинуть и отпустить, то он возвращается практически в исходное состояние. Если же воздух резко сдавить поршнем, то после отпускания поршень может и не вернуться в исходное состояние. Почему?

"Как вы помните, первый фундаментальный закон термодинамики был сформулирован и теоретически обоснован тремя физиками – Робертом Майером, Джеймсом Прескоттом Джоулем и Германом фон Гельмгольцем; второй закон термодинамики был сформулирован двумя великими физиками – Рудольфом Клаузиусом и Вильямом Томсоном, третий закон я открыл самостоятельно. Это доказы­вает, что четвертого, фундаментального закона быть же может".

Нернст

Урок 9. ЦИКЛ КАРНО

ЦЕЛЬ УРОКА: Дать представление о прямой и обратной машине Карно. Научить учеников рассчитывать КПД теплового двигателя.

ТИП УРОКА: Комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: микрокалькулятор.

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1 – 2 мин

2. Опрос 15 мин

3. Объяснение 20 мин

4. Закрепление 5 мин

5. Задание на дом 2 – 3 мин

II. Опрос фундаментальный:

1. Тепловой двигатель.

2. Двигатели внутреннего сгорания.

Задачи:

1. Тепловая машина работает по циклу, состоящему из изохоры 1-2, изобары 2-3 и участка 3-1 прямо пропорциональной зависимости давления от объема. Найдите КПД цикла, если объем на изобаре изменяется в 2 раза. Рабочее вещество – идеальный одноатомный газ.

2. Тепловая машина имеет КПД 40%, Каким станет КПД машины, если коли­чество теплоты, потребляемое за цикл, увеличится на 20%, а количество теплоты, отдаваемое холодильнику, уменьшится на 10%?

3. Найти расход топлива на 100 км пробега автомобиля, если мощность его мотора при скорости 72 км/ч равна 50 кВт, а КПД равен 20%. Теплотворная способность бензина 45 МДж/кг.

4. Поезд массой М идет по горизонтальному пути со скоростью υ. Тепловоз при этом за время τ сжигает топливо массой m. КПД двигателя равен η. Какую скорость разовьет поезд при тех же условиях и с той же силой сопротивления на пути с уклоном вверх α. Удельная теплота сгорания топлива q.

Вопросы:

1. Какую качественную и количественную информацию вы можете получить из РV-диаграммы цикла теплового двигателя?

2. Что является нагревателем, а что холодильником в ракетном двига­теле?

3. Можно ли поршневой двигатель превратить в компрессор, а турбину – в генератор?

4. Что является нагревателем и что холодильником у «солнечного паруса», который перемещается в космическом пространстве под действием солнечного ветра?

5. Почему невозможен циклический процесс, изображенный на рисунке?

	КПД цикла Карно

III.

Прямой цикл Карно.

. Пути повышения КПД тепловых двигателей: a) T_t = 600 К, Т₂ = 300 К, η = 50%; б) T₁= 1000 К, Т₂= 300 К, η = 70%; в) Т₁ = 600 К, Т₂ = 0 К, η = 100%.

Машина Карно в качестве холодильной машины:

Можно ли, открыв дверцу домашнего холодильника, понизить температуру воздуха в комнате?

Тепловой насос – устройство, предназначенное для перекачки теплоты от холодного тела к горячему телу.

Третий закон термодинамики – как невозможность достижения абсолютного нуля температуры:

На столе у Нернста стояла пробирка с органическим соединением дифенилметаном, температура плавления которого 26⁰С. Если в 11 утра препарат таял, Нернст вздыхал: «Против природы не попрешь», и уводил студентов заниматься греблей и плаванием.

IV. Вопросы:

1. Почему в цикле Дизеля адиабатное сжатие можно произво­дить до более высоких давлений и температур, чем в цикле Отто? Почему при этом возрастает КПД двигателя?

2. Достигнет ли КПД тепловых машин 100%, если трение в их частях удастся свести к нулю?

3. Обсудите и перечислите факторы, которые не позволяют реальным тепловым двигателям достигать максимального КПД.

4. Как вы бы записали формулу для КПД теплового насоса?

5. Не нарушает ли работа холодильной машины законы термодинамики?

6. Зимой в комнате может быть на 40 – 50⁰С теплее, чем на улице. Можно ли использовать эту ситуацию для получения полезной работы?

Задачи:

1. В топке котла паровой машины расходуется 0,35 кг дизельного топлива на. 1 кВт∙ч энергии. Температура поступающего в турбину пара 250⁰С, а температура холодильника 30⁰С. Вычислить фактический КПД турбины и сравнить его с КПД идеальной тепловой машины, работающей на тех же условиях.

2. Температура нагревателя идеальной тепловой машины 400 К, темпера­тура холодильника 300 К, количество, теплоты, получаемое от нагревателя за цикл, 400 Дж, число циклов в секунду 2. С какой скоростью будет перемещаться по горизонтальной дороге тележка, приводимая в движение такой машиной, если сила сопротивления 100 Н? Скорость тележки считать постоянной.

3. В холодильник, потребляющий мощность 200 Вт, поместили 2 кг воды при температуре 20 ⁰С. Через 30 мин вся вода превратилась в лед. Какое количество теплоты выделилось при этом в комнате?

V.

§§ 29,30

1. Подготовить пятиминутное сообщение о жизни и научной деятельности С. Карно.

2. Предложить конструкцию и изобразить на рисунке PV - диаграмму двухтактного двигателя Дизеля. Почему у этого двигателя КПД выше, чем у четырехтактного двигателя?

3. Предложите конструкцию “генератора холода”.

4. В неотапливаемом помещении работает холодильник с терморегулятором. В момент подключения холодильника к сети температура на улице, в помещении и холодильнике была одна и та же. Считая температуру на улице постоянной, изобразите приближенно на графиках, как менялась температура в помещении после подключения холодильника.

"Не смотря на все насмешки, стремление созда­вать теоретическое воззрение

на вещи внешнего мира было непреодолимо в груди человека;

из этого стремления непрестанно рождались все новые цветы".

Л. Больцман

Урок 10. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

ЦЕЛЬ УРОКА: Научить учеников рассчитывать КПД теплового двигателя.

ТИП УРОКА: Решение задач.

ОБОРУДОВАНИЕ: Микрокалькулятор.

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1 – 2 мин

2. Опрос 20 мин

3. Решение задач 20 мин

4. Задание на дом 2 – 3 мин

II. Опрос фундаментальный:

1. Прямая машина Карно.

2. Холодильная машина Карно.

3. Третий закон термодинамики.

Задачи:

1. При увеличении температуры нагревателя на ΔТ Кельвин или при уменьшении температуры холодильника на ΔТ Кельвин следует ожидать большего повышения КПД тепловой машины?

2. С помощью электрической плитки мощностью 1 кВт в комнате поддерживается температура 17⁰С при температуре наружного воздуха – 23⁰С. Какая мощность потребовалась бы для поддержания в комнате той же температуры с помощью идеальной тепловой машины?

3. В жаркую погоду в помещении включили кондиционер. Скорость передачи тепла между улицей и помещением пропорциональна разности температур, где К = 11,8 кВт/К. Кондиционер работает по циклу Карно. Какую мощность потребляет кондиционер от сети, если температура на улице 27⁰С, а в помещении 22⁰С?

4. На берегу реки расположена тепловая станция. Произведенный пар подается в турбины при температуре 250⁰С, а израсходованная вода сливается в реку при температуре 20⁰С. При какой температуре забирается вода выше станции по течению реки, если мощность станции 1000 МВт, а расход речной воды 40 м³/с? Для удобства оценки считайте, что тепловая станция работает по обратимому циклу Карно.

5. Летом при температуре в помещении 27⁰С промышленный морозильник при работе на полную мощность поддерживал температуру в камере – 23⁰С. Зимой температура в помещении упала до 7⁰С. Из-за отказа реле агрегат вновь заработал на полную мощность. Какой при этом стала температура в камере?

III. Вопросы:

1. Каковы причины того, что абсолютный нуль температуры недостижим?

2. Покажите, что тепловой насос может служить в качестве обогревате­ля зимой и в качестве кондиционера - летом.

3. Как доказать, что абсолютный нуль температуры недостижим?

4. Можно ли охладить комнату в жаркий день, оставив открытой двер­цу холодильника?

5. Температура атмосферного воздуха, играющего для автомобильного двигателя роль холодильника, зимой заметно ниже, чем летом. Ведет ли это к увеличению КПД двигателя зимой?

Задачи:

1. Кондиционер, работая в режиме нагревателя, закачивает в помещение 3 кВт тепла. Определите минимально возможный расход электроэнергии, если температура в помещении 20 ⁰С, а на улице – 10 ⁰С.

2. Известно, что компрессор домашнего холодильника периодически включается и выключается. Оцените соотношение времён работы и паузы компрессора, если известно, что его мощность около 100 Вт, через стенки холодильника за час проходит количество теплоты, равное 1 МДж, температура в помещении, где стоит холодильник, 20⁰С, температура внутри холодильника 3⁰С.

3. С одним молем идеального одноатомного газа проводят цикл. На участ­ке 1-2 объем газа увеличивается в 2 раза. Процесс 2-3 – адиабатное расширение, процесс 3-1 – изотермическое сжатие при температуре 300 К. Найти рабо­ту, совершаемую газом на участке 2-3.

VI. Конспект.

"Воображение важнее, чем знания, и применяя одну только логику, выдвинуть новую научную идею невозможно".

Альберт Эйнштейн

Урок 11. ОБ0ЩАЮЩИЙ УРОК ПО ТЕРМОДИНАМИКЕ

ЦЕЛЬ УРОКА: Систематизировать и обобщить знания учащихся по термоди­намике.

ТИП УРОКА: Повторительный.

ОБОРУДОВАНИЕ: Обобщающая таблица “Термодинамика”, зачетные папки по термодинамике.

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Систематизация знания 20 мин

3. Обобщение знания 20 мин

4. Задание на дом 2-3 мин

II. ОБОБЩАЮЩАЯ ТАБЛИЦА