Теплообмен и второй закон термодинамики

Турист остановился отдохнуть. Живительное тепло костра согревает и похлёбку в котелке, и самого туриста. Физик по этому поводу скажет: внутренняя энергия сгорающих дров переходит во внутреннюю энергию окружающих тел: воздуха, котелка, туриста. Другими словами, происходит теплопередача.

На рисунке представлены три способа теплопередачи: тепло¬проводность, излучение и конвекция. Путём теплопроводности через дно и стенки котелка внутренняя энергия пламени переходит во внутреннюю энергию туристской похлебки. Путём излучения – во внутреннюю энергию ладоней туриста и его одежды. А путем конвекции – во внутреннюю энергию воздуха над костром. И чем жарче горит пламя, тем интенсивнее (с большей мощностью) происходит теплопередача.

Мощность теплопередачи между двумя телами тем больше, чем сильнее отличаются их температуры. Эту закономерность подметил английский физик И. Ньютон ещё в конце XVII веке. Другими словами, чем больше разница температур тел, участвующих в теплообмене, тем с большей скоростью он протекает (то есть в единицу времени передается больше теплоты).

У этой закономерности есть частный случай: если температуры тел не отличаются, то мощность теплопередачи будет равна нулю. Другими словами, если тела имеют равные температуры, то теплообмен происходить не будет. Например, если в воду при 0 °С бросить кусок льда такой же температуры, то передачи теплоты между ними не будет: ни лёд не начнет таять, ни вода не станет замерзать вокруг льда.

Теплопередача теплопроводностью. Проделаем опыт. Две проволоки одинаковой длины и толщины – медную и стальную – укрепим так, чтобы их концы попали в пламя свечи. Кусочками воска приклеим к ним маленькие гвоздики. Мы увидим, что с медной проволоки они начнут падать раньше. Значит, теплота по медной проволоке распространяется быстрее, чем по стальной.

Этот опыт показывает, что теплопроводность различных веществ различна. Это значит, что при одинаковых условиях они передают теплоту с разной скоростью.

Тела и вещества, быстро передающие теплоту, называюся теплопроводниками. К ним, в первую очередь, относятся все металлы – в твёрдом и жидком состоянии. Тела и вещества, медленно передающие теплоту, называются теплоизоляторами. К ним, например, относятся пенопласт, мех, вата и др.

Опыты показывают, что все без исключения газы передают теплоту очень медленно. Теплопроводность жидкостей (кроме жидких металлов) занимает промежуточное положение между теплопроводностью твёрдых тел и газов.

Теплота сгорания топлива и КПД тепловых машин

Как мы отметили в предыдущем параграфе, в XIX веке было построено огромное количество паровых машин: от небольших до огромных. Они потребляли невероятно большое количество топлива, как правило, угля. Его необходимо было добывать и транспортировать к месту потребления, что приводило к большим финансовым затратам. Возникал вопрос: каков КПД паровой машины и как его можно повысить?

Рассчитать количество теплоты, которое выделяется при сгорании топлива, легко по формуле:

Q – количество теплоты, Дж. m – масса топлива, кг. q – удельная теплота сгорания, Дж/кг.

Коэффициент «q» берут из таблиц. Он показывает количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива.

Измерить, сколько механической работы произвела машина, несложно. Тогда КПД машины можно вычислить по формуле:

h — КПД тепловой машины. Aполезн – механическая работа, Дж. Qполн – количество теплоты, Дж.

Вычисления показывали, что КПД паровых машин был крайне низок, около 1%. При этом ни у кого не было ни малейшего представления о том, каким может быть максимальный КПД и что могут сделать инженеры, чтобы его повысить.

В 1824 году была опубликована работа французского инженера С. Карно «Размышления о движущей силе огня». Он рассматривает идеальную тепловую машину (тепловой двигатель). Не углубляясь в подробности, назовём основные идеи Карно.

Во-первых, любой тепловой двигатель должен обязательно содержать нагреватель и охладитель. Это необходимо, чтобы рабочее тело (газ или пар) могло попеременно увеличивать и уменьшать объём, двигая при этом поршень и совершая работу.

Во-вторых, чем выше температура нагревателя и ниже температура охладителя, тем выше будет КПД. Для идеальной тепловой машины (двигателя) Карно вывел формулу:

h — максимальный КПД Tнагр – температура нагревателя, К Tохл – температура охладителя, К

В этой формуле Tнагр и Tохл – так называемые абсолютные температуры по шкале Кельвина (см. § 6-а).

Поскольку для тепловых машин (двигателей) охладителем является атмосферный воздух или вода из открытых водоёмов, то уменьшить их температуру невозможно. Следовательно, для увеличения КПД необходимо увеличивать температуру нагревателя, а точнее, температуру, до которой нагревается рабочее тело.

Экологические проблемы использования тепловых машин. Мы живём в XXI веке, который невозможно представить без электростанций и автомобилей. Большая доля электростанций в мире – тепловые, то есть сжигающие топливо (уголь или газ). Автомобили, работающие на электричестве – редкость, все остальные сжигают топливо (бензин). При этом есть два крайне нежелательных для окружающей среды обстоятельства.

Во-первых, выхлопные газы загрязняют атмосферу, делают её непригодной для нормальной жизнедеятельности человека. Во-вторых, выделяющееся тепло изменяет климат Земли и наносит непоправимый вред природе, животным и человеку. Поэтому задача человечества – переходить на более безопасные для окружающей среды двигатели.

Двигатель внутреннего сгорания

История XIX века неразрывно связана с паровыми машинами: они приводили в действие станки на заводах, заставляли ехать паровозы и плыть пароходы. Однако паровая машина – это так называемый двигатель внешнего сгорания. Это означает, что создание рабочего тела (горячего пара) происходит снаружи самого двигателя (цилиндра и поршня в нём). Однако развитие техники показало, что наиболее эффективным […]

Первый закон термодинамики

Мы уже знаем, что внутреннюю энергию тел можно изменять теплообменом – передавая телу или забирая у него некоторое количество теплоты (см. § 6-в). А опыты Румфорда и Джоуля продемонстрировали нам, что внутреннюю энергию тел можно изменить и совершением работы (см. § 6-ж). То есть существуют два способа изменения внутренней энергии: теплопередача и работа. DU – […]

Из истории термодинамики

В XVIII веке считалось, что одно тело теплее другого потому, что содержит больше теплорода – невесомого вещества, создающего ощущение тепла. Считалось также, что теплород нельзя ни создать, ни уничтожить; он только переходит от одних тел к другим, вызывая охлаждение первых и нагревание вторых. Однако в 1798 г. министр внутренних дел Баварии граф Б. Румфорд проделал […]

Кипение и конденсация

Нальём в сосуд чистой воды и поместим над горелкой. Вскоре на дне и стенках сосуда мы заметим мелкие пузырьки. Они содержат водяной пар и воздух, который всегда растворён в воде. Рассмотрим пузырёк, возникающий около горячего дна сосуда. Увеличиваясь в объёме, пузырёк увеличивает площадь своего соприкосновения с ещё недостаточно прогревшейся водой. В результате воздух и пар […]

Плавление и кристаллизация

Весна. Выглянуло солнышко, и сквозь осевшие сугробы и журчащие ручьи пробиваются первые подснежники. Но взгляните на рисунок: температура и снега, и талой воды остаётся 0 °С. Так будет до тех пор, пока не растает последний кристаллик льда, даже если температура воздуха станет +10 °С! В физике превращение кристаллического тела в жидкость называют плавлением. Поэтому превращение […]

Теплота плавления и парообразования

Из истории калориметрии. Что такое калориметр, для чего он служит и как устроен, мы узнали в § 6-в. А известно ли вам, что калориметрия – наука об измерении количества теплоты – составляет целый раздел физики и уходит корнями в глубь веков? Изобретению уже известного вам жидконаполненного калориметра предшествовало создание в ХVIII веке французами П. Лапласом […]

Количество теплоты и калориметр

В этом параграфе мы будем использовать два новых термина. Определим их. Теплообмен – это явление перехода внутренней энергии одного тела во внутреннюю энергию другого тела без совершения механической работы. Количество теплоты – это энергия, перешедшая от одного тела к другому при теплообмене. Вы видите калориметр – прибор для измерения количества теплоты. Простейший калориметр состоит из […]

Температура и термометры

Проводя измерения, следует помнить, что любой термометр всегда измеряет свою собственную температуру. Когда термометр приводят в контакт с изучаемым телом, мы видим разного рода изменения. Например, в термоскопе меняется давление и объём газа в шаре (см. § 6-а), а в термометрах меняется длина «столбика» ртути или подкрашенного спирта. Но вскоре между термометром и телом наступает […]