1 Molekulová fyzika a termodynamika

Transkript

1 Meno a riezvisko: Škola: Školský rok/blok: Predmet: Trieda: Dátum: Teória Škola re mimoriadne nadané deti a Gymnázium Fyzika Molekulová fyzika a termodynamika Štruktúra a vlastnosti lynov.9 Kruhový dej s lynom Na konštrukciu ideálneho motora chceme využiť skutočnosť, že lyn koná ri rozínaní rácu. Najjednoduchšia konštrukčná možnosť na zostrojenie motora: Pustíme nafúknutý balónik. Balónik sa vyfukuje, vytlačuje vzduch a vytlačený vzduch ostrkuje balónik doredu (koná rácu). Problém: Balónik sa vyfúkne a tým jeho činnosť ako motora skončí je to dosť veľká nevýhoda kuovať si red každou jazdou nový motor nevyzerá ríliš ekonomicky. Cieľ: Motor musí racovať cyklicky (stále dookola). Vždy o vykonaní jedného cyklu sa musí vrátiť do očiatočného stavu. Nemôže teda fungovať ako jednorázovo nafúknutý balónik, ktorý o vyustení restane racovať. Ak by sme chceli ako motor oužiť vyfukujúci sa balónik, musí činnosť nášho motora obsahovať aj nafukovanie balóniku. Na ozorovanie srávania a funkcie motora oužijeme V diagram (z neho možno odčítať rácu). Nebudeme riešiť technické detaily, jedná sa len o kvalitatívny náhľad situácie (nebudeme očítať, len kresliť). Zaujíma nás energetická účinnosť motora budeme ozorovať ako rijíma a odovzdáva telo, ako sa mení jeho vnútorná energia, akú koná rácu. Priomienka:. termodynamický zákon: U W (zmena vnútornej energie sa rovná ráci, ktorú vykoná okolie a dodanému telu). U W (dodané telo sa sotrebuje na zmenu vnútornej energie a rácu vykonanú lynom, W W, niekedy sa označuje aj W - ráca lynu) Prácu, ktorý môže vykonávať lyn uzatvorený vo valci s ohyblivým iestom ri zväčšovaní objemu, má obmedzenú veľkosť. Plyn totiž nemôže stále zväčšovať svoj objem. Teelný storoj môže racovať len vtedy, okiaľ sa lyn vždy o skončení exanzie vráti säť do ôvodného stavu. Dej, ri ktorom je konečný stav sústavy totožný so stavom očiatočným, sa nazýva kruhový dej (cyklický dej). Grafom vyjadrujúcim závislosť tlaku lynu ako funkcie objemu V ri kruhovom deji je vždy uzatvorená krivka. Simulácia Carnotovho cyklu: htt://galileoandeinstein.hysics.virginia.edu/more_stuff/flashlets/carnot.htm

2 Prácu, ktorú vykoná racovná látka (tj. lyn alebo ara) ri zväčšovaní objemu zo stavu A do stavu C, je možné znázorniť v racovnom diagrame ako obsah lochy od krivkou ABC. Pri sätnom rechode lynu zo stavu C do stavu A o krivke CDA sa objem racovnej látky zmenší vlyvom ôsobenia vonkajších síl. Okolité telesá ritom konajú rácu, ktorú je možné znázorniť v racovnom diagrame obsahom lochy od krivkou CDA. Celková ráca, ktorú vykoná lyn ri jednom cykle kruhového deja, je otom rovná rozdielu ráce, ktorú vykonal v rvej časti cyklu lyn, a ráce, ktorú vykonala okolité telesá v druhej časti cyklu. Túto výslednú rácu W je možné znázorniť v racovnom diagrame ako obsah lochy vo vnútri krivky ABCDA (na obrázku je locha označená žltou (res. sivou)). Cyklus sa môže mnohokrát oakovať, takže teelný stroj, v ktorom sa cyklus oakuje, môže trvale konať rácu. Vzhľadom k tomu, že očiatočný a koncový stav sústavy sú totožné, je celková zmena vnútornej energie racovnej látky o ukončenú jedného cyklu nulová U 0. Teleso, od ktorého racovná látka rijme v riebehu jedného cyklu telo, sa nazýva ohrievač, teleso, ktorému racovná látka odovzdá telo sa nazýva chladič. Celkové telo, ktoré racovná látka v riebehu jedného cyklu rijme je. Pomocou rvého termodynamického zákona dostávame W : Celková ráca vykonaná racovnou látkou v riebehu jedného cyklu kruhového deja je rovná celkovému telu, ktoré rijme v riebehu tohoto cyklu od okolia. Z tela odobraného ohrievačom sa využije len časť na vykonanie ráce W, retože zostávajúca časť tela (telo ) odovzdá lyn chladiču. Pre účinnosť kruhového deja latí: W Úloha : Pokúste sa nájsť v V diagrame bod, z ktorého by bolo výhodné začať činnosť motora, ktorý by mal vykonávať rácu. Úloha : Navrhnite dej, ktorý by sme mohli nechať rebehnúť v lyne, aby lyn vykonal rácu. Počiatočný stav sa zhoduje s konečným cyklus sa môže neustále v kruhu oakovať. Nazývame to kruhový dej. Prehľad jednotlivých fáz: I. Izotermická exanzia: V rastie; klesá; T konšt. ; W 0 (lyn koná rácu); U 0 (telota sa nemení); 0 (lyn si udržiava telotu rijatím tela od ohrievača). II. Izochorické ochladenie roztiahnutého lynu: V konšt. ; klesá; T klesá; W 0 (lyn nekoná rácu objem sa nemení); U 0 (telota sa znižuje lyn sa ochladzuje); 0 (lyn odovzdáva telo chladiču aby sa ochladil). III. Izotermické stlačenie ochladeného lynu: V klesá; rastie; T konšt. ; W 0 (okolie musí stlačiť lyn); U 0 (telota sa nemení); 0 (stláčaný lyn odovzdáva telo okoliu, aby sa nezahrial). IV. Izochorické ohriatie stlačeného lynu: V konšt. ; rastie; T rastie; W 0 (lyn nekoná rácu objem sa nemení); U 0 (lyn sa ohrieva); 0 (lyn rijíma telo aby sa ohrial). Celkovo za jeden cyklus: Práca vykonaná motorom (výkon): W W I W III Energia dodaná motoru (ríkon): je telo rijaté vo fázach I a IV

3 Energia nevyužitá motorom (straty): je telo odovzdané vo fázach II a III Platí: W Zhrnutie činnosti motora: Motor odoberá telo z ohrievača (ohrievač je zdroj tela s vysokou telotou), renáša ho na chladič (ríjemca tela s nízkou telotou) a jeho časť tela mení na rácu. Schéma č. : Ohrievač T W Motor Chladič T T Účinnosť motora: výkon ríkon W Môžeme zostrojiť eriodicky racujúci stroj, ktorý omocou kruhového deja renáša telo z ohrievača na chladič a jeho časť mení na rácu..0 Druhý termodynamický zákon Z tela rijatého od ohrievača je možné využiť na konanie ráce len časť, zvyšok tela odovzdáva racovná látka chladiču. Toto vyjadruje druhý termodynamický zákon: Nie je možné zostrojiť eriodicky racujúci teelný stroj, ktorý by len rijímal telo od určitého telesa (ohrievača) a menil by ho na ekvivalentnú rácu (vykonával by rácu ekvivalentnú dodanému telu). (Thomsonova formulácia) Iná, ekvivalentná formulácia druhého termodynamického zákona je Clausiova formulácia, ktorá vychádza z každodennej skúsenosti: Telo nemôže samovolne (t.j. bez konania ráce) rechádzať z telesa chladnejšieho na teleso telejšie. Periodicky racujúci teelný stroj môže racovať odľa schémy č.. Podľa schémy č. nie je možné zostrojiť eriodicky racujúci teelný stroj. Takýto ty stroja by sme nazvali eretum mobile druhého druhu, ktoré by malo značný raktický význam: mohlo by vykonávať rácu ochladzovaním telesa (naríklad more). Schéma č. : 3

4 Ohrievač T W Motor Poznámka: Ak v Thomsonovej formulácii vynecháme slovo eriodicky, môžeme takýto stroj zostrojiť. Rovnako ak vynecháme aj v Clausiovej formulácii slovo samovoľne, budeme môcť telo renášať z telesa chladnejšieho na teleso telejšie naríklad konaním ráce. Presne to sa odohráva v chladničke: Telo je odoberané už relatívne chladnejšiemu telesu vo vnútri chladničky a je odovzdávané do okolia, ktoré má (najmä v lete) výrazne vyššiu telotu ako je telota vo vnútri chladničky. Ak chceme vyrábať veľa ráce, musíme mať výkonný a čo najtelejší ohrievač a obrovský a čo najstudenší chladič, ktorý rijme veľa tela a nezahreje sa. Preto je samotný rincí motora nevýhodný rácu vykoná len vďaka tomu, že ho ostavíme do cesty telu, ktoré chce rechádzať z ohrievača na chladič. Predsalen nešlo by ostaviť motor, ktorý by len odoberal telo z ohrievača a menil ho na rácu (eretum mobile druhého druhu) odľa schémy č.? Príklad č.: Jadrová elektráreň Mochovce má výkon 000MW. Určte o koľko stuňov by oklesla telota vody v blízkom Hrone, ak by elektráreň získavala vyrábanú energiu z tela vody. Prietok vody v Hrone ri m 3 Tlmačoch je ribližne 40. s (Poznámka: Objemový rietok, res. rietok, res. rietokové množstvo, res. rietokový objem sa zvykne označovať rovnako ako telo. Vyjadruje objem kvaaliny (lynu, rachu,...), ktoré rejde daným rierezom V m 3 (korytom rieky) za istý čas. S. v V. t ; jednotka je.) t s Aj keď redošlý ríklad neodoruje zákonu zachovania energie, nie je fyzikálne možný. Venujme ozornosť V diagramu kruhováho deja. Celá rvá fáza I je resne to, čo otrebujeme. Motor odoberá telo z ohrievača a koná rácu. Lenže lyn nemôžeme rozínať donekonečna a okiaľ chceme, aby motor racoval trvalo (eriodicky), musíme lyn zase stlačiť. Pokiaľ ri tom nechceme minúť všetku získanú rácu, musíme ho ochladiť (a reto otrebujeme chladič a sme nasäť ri výmene tela z telejšieho telesa na chladnejšie). Prečo nechce telo rechádzať zo studenšieho telesa na telejšie? Nakreslíme si dve telesá jedno horúce, druhé studené: T Ohrievač Chladič T T V ohrievači sa vyskytuje veľa rýchlych, ale málo omalých molekúl. V chladiči sa nachádza málo rýchlych, ale veľa omalých molekúl. 4

5 Čo by sa muselo stať, aby telo rechádzalo z chladiča na ohrievač? Rýchle molekuly z chladiča by sa museli zrážať s omalými molekulami (oboch je málo). Pomalé molekluly z chladiča a rýchle molekuly z ohrievača by sa nesmeli zrážať navzájom (oboch je veľa). Stať sa to môže, ale je to veľmi málo ravdeodobné (asi ako to, aby sa všetky molekuly z jednej olovice triedy náhodne remiestnili do druhej olovice). Ďalšie formulácie druhého termodynamického zákona: Nie je možné zostrojiť eriodicky racujúci stroj, ktorý by len rijímal telo od ohrievača a menil ho na ekvivalentnú rácu. Nie je možné zostrojiť eretum mobile druhého druhu. Telo vždy rechádza z telejšieho telesa k chladnejšiemu. Problematika druhého termodynamického zákona je jednou z najleších ukážok omeru síl medzi rírodnými zákonmi a technikou. Technika nemôže ani o sebamenší kúsok ohnúť s rírodnými zákonmi (orušiť ich, nahradiť ich, rekonať ich). Technika musí všetky rírodné zákony dodržiavať a využívať ich k tomu, aby všetko doadlo tak, ako človek otrebuje.. Teelné stroje Parná turbína je stroj, ktorý roztáča generátory striedavého rúdu v teelných a jadrových elektrárňach. htt:// (čas 07:5). Princiiálne jednoduché zariadenie funguje rovnako ako detské vrtuľky. Do turbíny vháňame horúcu aru, ktorá fúka na loatky turbíny a tým ju roztáča (ako vietor vrtuľky). Technická realizácia je zložitejšia, turbíny majú zložitý systém loatiek, ktoré sú určené re aru rôznych tlakov. Každá turbína má dve časti: stator (stojaca časť) loatky smerujúce aru, rotor (točiaca sa časť) obežné loatky (naráža do nich ara a tým sa rotor roztáča) Schéma teelnej elektrárne: Na rvý ohľad vyzerá elektráreň ako dielo šialeného inžiniera, ktorý sa zameriava na lytvanie energiou: studenú aru, ktorá rešla (a točila turbínou), v kondenzátore omocou vody z chladiaceho okruhu nechávame skvaalniť. Tým jej odoberáme energiu, ktorú jej otom musíme rácne dodávať v kotli. Táto, na rvý ohľad nezmyselná činnosť musí mať svoj význam (inak by sa ri stavbe elektrární ušetrilo za chladiace veže). Vráťme sa k turbíne, kvôli ktorej sa elektrárne stavajú: K jej roztočeniu nestačí len veľký tlak horúcej ary na jej začiatku. Aby ara turbínu roztočila, musí cez turbínu rúdiť na druhú stranu na 5

6 druhej strane turbíny však musí byť tlak čo najmenší kondenzátor mení aru na vodu a tým znižuje tlak na druhej strane turbíny. Elektráreň je krásnou ukážkou teelného stroja: telo z ohrievača (kotol) rechádza na chladič (chladiacu vežu) a o ceste sa čiastočne mení na rácu (turbína). Príklad č.: Para sa v kotli zahrieva na telotu 500 C. V kondenzátore sa ochladzuje na 50 C. Urči maximálnu možnú účinnosť elektrárne. Príklad č.3: Vysvetlite, rečo je re elektráreň výhodné studené očasie. Prečo elektráreň za studenej zimy vyrobí z rovnakého množstva uhlia viac elektriny? Parný stroj je rvý hromadne oužívaný teelný stroj. htt:// (čas 0:00). Príklad č.4: Odhadni, čo môžeme ovažovať v arnom stroji za telotu ohrievača a čo za telotu chladiča. 6