Термодинамика негіздері
Жылу қозғалтқыштарының жұмысы
жүктеу/скачать 0.61 Mb.
|
| Жылу қозғалтқыштарының жұмысы
Оқушылар жылу қозғалтқыштарымен алғаш рет базалық мектепте жылу қозғалтқыштарының жалпы жұмыс принципін қарастырғанда (жұмыс денесінің ішкі энергиясы есебінен пайдалы жұмыс жасау), ішкі жану қозғалтқышы мен бу турбинасын зерттегенде, сондай-ақ жылу қозғалтқыштарының тиімділігі туралы түсініктерді енгізгенде таныстырылады. Жоғарыда аталған қозғалтқыштардың дизайны мен жұмыс принциптеріне назар аударылады. Курста жоғары сынып физиктері жылу қозғалтқыштарының жұмысында болатын энергетикалық процестерді қарастырады. Жылу қозғалтқыштарының жұмыс істеу принциптерін зерделеу кезінде, ең алдымен, қайтымсыздық ұғымы енгізіліп, термодинамиканың екінші заңы туралы түсінік қалыптасады. Қайтымсыздық ұғымы мысалдар арқылы ашылады: олар мүлдем серпімді соққыны қайтымды құбылыстың мысалы ретінде қарастырады, мұндай соққының идеализация екенін түсіндіреді. Содан кейін олар пластикалық деформация, диффузия және басқалар сияқты құбылыстарға жүгінеді және процестің қайтымсыздығы ұғымын енгізеді, оның кері жағы өздігінен жүре алмайды. Әрі қарай, олар студенттерді термодинамиканың екінші заңын тұжырымдауға әкеледі, олар кері процесті тек энергия шығындарымен байланысты басқа процестің бөлігі болған жағдайда ғана жүзеге асыруға болатындығын айтады. Сонымен, сіз пластикалық деформациямен дене пішінін қалпына келтіре аласыз, бірақ бұл үшін сыртқы күштер мен энергия шығындары қажет. Жылу қозғалтқыштарының жұмыс принциптерін зерттеуді келесі жоспар бойынша құруға болады: механикалық жұмысты ішкі энергия арқылы жасауға болады деген мәселені талқылау; бұл орын алатын құрылғы жылу қозғалтқышы деп аталады; үздіксіз жұмыс істеу үшін қозғалтқышты бастапқы күйіне қайтару керек, яғни ол циклдік болуы керек деген мәселені талқылау; оң жұмыс алу үшін мәселені талқылау бастапқы күй қозғалтқыш төмен температурада оралуы керек, сондықтан оның жылытқышы, жұмыс денесі және тоңазытқышы болуы керек. Әрі қарай, студенттерге жұмыс денесі (олар бу, газ немесе арнайы қоспасы болуы мүмкін) белгілі бір мөлшерде жылу алады деп айтылады жылытқыштан және кеңейеді. Кеңейту кезінде жұмысшы дене жұмыс жасайды. Сығылған кезде жұмыс денесі жылу мөлшерін береді тоңазытқышқа. Тоңазытқыш пен жылытқыштың температурасы тұрақты, ал жылытқыштың температурасы әрқашан тоңазытқыштың температурасынан жоғары болады ( ). Осыдан кейін, жұмыс денесі идеалды газ болатын идеалды Карно жылу машинасының жұмыс принципін қарастырған жөн. Газ жылытқышпен жанасу кезінде кеңейген кезде температура тұрақты болады, қысу және тоңазытқышпен жанасу кезінде температура да тұрақты болады, сондықтан кеңею мен қысу изотермиялық жолмен жүреді (суретте.6 сәйкесінше изотермалар 1-2 және 3-4). Бірақ егер кеңею температурасы қысу температурасынан үлкен болса, онда температура өзгеретін процестерді жасау керек дейін , содан кейін қайтадан дейін . Негізінде бұл изобарлық, изохорлық немесе адиабаттық процестерде мүмкін. Ең орынды-максималды жұмыс шарты (суретте.6 2-3 және 4-1 графиктер - адиабаттар). Пайдалы жұмыс сандық түрде көлеңкеленген фигураның ауданына тең. Пайдалы әсер коэффициенті туралы мәселе маңызды. Өздеріңіз білетіндей, тиімділік-бұл пайдалы жұмыстың жылытқыштан алынған жылу мөлшеріне қатынасы: . Тиімділікті арттыру міндеті-негізгі техникалық міндеттердің бірі. Бұл, ең алдымен, жоғары температурада жеткілікті беріктігі бар материалдарды жасаумен байланысты. Қазіргі уақытта жұмыс денесінің температуралық шекаралары 303 - 853 к құрайды, мұндай температура мәндерінде Карно циклі бойынша жұмыс істейтін идеалды машинаның тиімділігі 65% құрайды. Алайда, шығындарды ескере отырып, тиімділік шамамен 40% құрайды. Оқушылар жылу қозғалтқыштарының тиімділігі мәселесін шешудің механикалық және электрлік қозғалтқыштарға қатысты бірдей мәселені шешуден түбегейлі айырмашылығын түсінуі қажет. Соңғыларының тиімділігі 100% - ға, ал жылу қозғалтқыштарының тиімділігі тоңазытқыш пен жылытқыштың бірдей температурасында жұмыс істейтін идеалды Карно машинасының тиімділігіне жақындауға тырысады. Сондықтан жылу қозғалтқыштарының тиімділігінің жоғарылауы жылытқыштың температурасының жоғарылауымен және тоңазытқыштың температурасының төмендеуімен байланысты. Кейбір жылу қозғалтқыштарының қуаты мен тиімділігінің мәндерін беру пайдалы. Мысалы, "Еділ ГАЗ-24" автокөлігіне орнатылған карбюраторлы Іштен жану қозғалтқышының қуаты 70 кВт, тиімділігі шамамен 25%; электр станцияларында орнатылған бу турбиналарының қуаты 500-800 МВт, ал тиімділігі 40% құрайды. Қарастырылып отырған тақырыпты зерделеу қорытындысында оқушылардың назарын халық шаруашылығы үшін жылу энергетикасын дамытудың маңыздылығына аударады, атап айтқанда, елге жылу электр орталықтарын дамыту беретін үнемдеу туралы айтады. 1.4 Оқушылардың танымдық қызығушылығын қалыптастыру жолдары және олардың шығармашылық қабілеттерін дамыту Оқушылардың оқу пәніне деген қызығушылығын қалыптастырудың көптеген әдістері бар. Әдістердің бірі-сабақта пәнаралық байланыстарды ұйымдастыру. Бұл әдіс екі жақты. Бір жағынан, физикаға қызығушылық танытатын студенттер басқа пәндерге де қызығушылық танытуы керек. Бірақ бұл әдіс сонымен қатар басқа пәндерге тұрақты танымдық қызығушылығы бар студенттерге физика сабақтарында өздері үшін қызығушылық табуға мүмкіндік береді. Термодинамика энергияның жылу түрінде және денелер арасындағы жұмыс түрінде өзгеруінің жалпы заңдылықтарын қарастырады. Ашық биологиялық жүйелерде энергия алмасу процесі үнемі сыртқы ортамен жүреді. Ішкі метаболикалық процестер энергияның кейбір түрлерінің басқаларына айналуымен бірге жүреді. Механикалық процестерді, Жарық квантының энергиясын пигмент молекулаларының электронды қозу энергиясына, содан кейін фотосинтездегі тотықсызданған қосылыстардың химиялық байланыстарының энергиясына түрлендіруді еске түсіру жеткілікті. Тағы бір мысал - электрохимиялық трансмембраналық потенциалдың энергиясын биологиялық мембраналардағы АТФ энергиясына айналдыру. Енді біз биоструктуралардағы энергияның трансформация механизмдері Фотосинтездің реакция орталықтары, хлоропласттар мен митохондриялардың Н-Атфазасы, бактериородопсин сияқты арнайы макромолекулалық кешендердің конформациялық өзгерістерімен байланысты екенін түсінеміз. Алайда, мұнда болып жатқан процестердің егжей-тегжейлі сипатын түсіндіруден басқа, мұндай макромолекулалық машиналардағы энергияны түрлендіру тиімділігінің жалпы сипаттамалары ерекше қызығушылық тудырады. Классикалық термодинамикада негізінен параметрлер уақыт бойынша өзгермейтін жүйенің тепе-теңдік күйлері қарастырылады. Алайда, ашық жүйелерде реакциялар мен сәйкес энергетикалық конверсиялар үнемі жүреді, сондықтан уақыттың әр сәтінде энергияның өзгеру жылдамдығын білу қажет. Бұл энергетикалық есептеулерде уақыт факторын да ескеру керек дегенді білдіреді. Ол үшін термодинамикалық және кинетикалық тәсілдерді ашық Жүйенің қасиеттерін сипаттауда біріктіру қажет. 2. "Термодинамика негіздері" тақырыбы бойынша әдістемелік әзірлемелер 2.1"Термодинамика негіздері" тақырыбындағы сабақтың технологиялық картасы
2.2"Термодинамика негіздері" тақырыбы бойынша жаңа материалды зерттеу сабағы Сабақтың тақырыбы: "термодинамиканың бірінші заңын газдағы изопроцестерге қолдану" Сабақтың мақсаттары: 1. Газ процестерін сипаттау үшін термодинамиканың бірінші заңын қолдану қабілетін қалыптастыру; 2. Ұғымды енгізу-адиабаталық процесс. 3. Әр процесс үшін газдың жылу сыйымдылығын қарастырыңыз Сабақ жоспары:
Үйге тапсырма: §11 Жабдық: 1. Компьютер, мультимедиялық проектор - мұғалімге арналған; 2. OMS ойнатқышы бар Ноутбуктер -4 дана-оқушыларға арналған Мазмұны: 1. Білімді өзектендіру: * Изопроцесс деп не аталады? * Изотермиялық процесс деп не аталады? * Изохоралық процесс деп не аталады? * Изобарлық процесс деп не аталады? * Газдың ішкі энергиясын өзгерту формуласы * Газдың жұмыс формуласы * Термодинамиканың бірінші заңы 2. Жаңа нәрселерді үйрену: Біз жұмысты келесідей құрамыз: біз 4 топқа бөлінеміз, әр топ процестердің бірін зерттейді және қарастырады термодинамика заңы осы процеске қолданылады. 1 топ-адиабаталық топ-изотермиялық топ-изохор топ-изобар
Назар аударыңыз, адиабата міндетті түрде изотермадан салқын болады. Шынында да, адиабаталық процесте газ қысымы изотермиялық процестегідей көлемнің ұлғаюы арқылы ғана емес, оның температурасына байланысты да төмендейді. Егер сіз денені тұрақты қысыммен қыздырсаңыз, ол кеңейіп, жұмыс жасайды. Денені 1 К-ге тұрақты қысыммен қыздыру үшін оған тұрақты көлемде бірдей қыздыруға қарағанда көбірек жылу беру керек. Дене қызған кезде алатын немесе салқындаған кезде берілетін жылу мөлшерін қалай анықтауға болады? 8-сыныптан белгілі, жүз Q=cmΔT, мұндағы с-заттың меншікті жылу сыйымдылығы. Жылу сыйымдылығы заттың қасиеттеріне ғана емес, сонымен қатар жылу беру процесіне де байланысты. Тұрақты көлемдегі газдың жылу сыйымдылығы Газдың молярлық жылу сыйымдылығын тұрақты көлемде табамыз. Жылу сыйымдылығының анықтамасына сәйкес , мында ΔT - температураның өзгеруі. Егер процесс тұрақты көлемде жүрсе, онда біз бұл жылу сыйымдылығын белгілейміз Cv. Сонда QV = CVΔT. Тұрақты көлемде жұмыс жасалмайды. Сондықтан термодинамиканың бірінші заңы келесідей жазылады: CVΔT = ΔU. Бір моль энергиясының өзгеруі сирек кездесетін (идеалды) моноатомды газға тең . Демек, бір атомды газдың тұрақты көлеміндегі молярлық жылу сыйымдылығы . жүктеу/скачать 0.61 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|