Матеріали для Нової української школи 1 клас - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

ЗОВНІШНЄ НЕЗАЛЕЖНЕ ОЦІНЮВАННЯ 2018 - ФІЗИКА КОМПЛЕКСНЕ ВИДАННЯ

Частина I НАВЧАЛЬНИЙ ДОВІДНИК — З ПРИКЛАДАМИ ТА ЗАВДАННЯМИ

МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА

6. ОСНОВИ ТЕРМОДИНАМІКИ

6.3. ТЕПЛОВІ ДВИГУНИ

Тепловий двигун — машина, що перетворює внутрішню енергію палива на механічну енергію.

Тепловий двигун мас працювати циклічно; після розширення газу настає стиснення.

Три основні частини теплового двигуна (рис. 6.7, а):

1) нагрівник (Т1) — джерело внутрішньої енергії;

2) робоче тіло (газ або пара), що виконує механічну роботу за рахунок внутрішньої енергії, отриманої від нагрівача;

3) холодильник (T2 < T1), що забезпечує природний процес передачі тепла від більш нагрітого тіла до більш холодного, чим здійснює компенсацію процесу перетворення теплової енергії на механічну. Холодильником може бути навколишнє середовище (так охолоджується радіатор побутового кондиціонера, радіатор двигуна внутрішнього згоряння).

Цикл Карно — схема ідеальної теплової машини (з найвищим ККД).

Робота газу, що здійснюється, повністю відбувається за рахунок кількості теплоти, відданої нагрівником. При стисненні газу робота зовнішніх сил повністю перетворюється на теплоту, що віддається холодильнику (рис. 6.7, б).

ККД ідеального теплового двигуна обчислюється за формулою:

η = .

де Q1 — кількість теплоти, одержана від нагрівача, Q2 — кількість теплоти, віддана холодильнику, Q1 - Q2 = А — робота газу під час розширення.

Рис. 6.7

Теорема Карно. Максимальний ККД ідеального теплового двигуна (ККД циклу Карно) не залежить від природи робочого тіла і є лише функцією температур нагрівача (Т1) і холодильника (Т2):

ηmax = .

♦ ККД реальних теплових машин менший від ККД ідеальної машини. У реальній тепловій машині завжди наявні втрати на нагрівання, механічну роботу в механізмі машини; таким чином, корисна робота є меншою за роботу робочого тіла:

Акор < Q1 - Q2.

Економічний (реальний) ККД теплової машини — це відношення корисної роботи двигуна (Aкор = Р ∙ t) до кількості теплоти, виділеної при згорянні палива:

ηcк = .

Деякі види теплових машин:

• парова і газова турбіни;

• парові машини;

• поршневі двигуни внутрішнього згоряння: а) карбюраторні (бензинові); б) дизелі;

• безпоршневі двигуни внутрішнього згоряння (реактивні двигуни).

ККД сучасних дизелів досягає 40 %.

Принцип роботи дизельного двигуна:

такт І — всмоктується повітря; такт II — відбувається швидке стиснення повітря (отже, його розігрів); такт III— через форсунку впорскується пальне, від високої температури воно самозапалюється. Продукти згоряння, розширюючись, виконують роботу з переміщення поршня; такт IV — вихід (вихлоп) продуктів згоряння. Потім процес повторюється (рис. 6.8).

Рис. 6.8

ПРИКЛАДИ РОЗВ'ЯЗУВАННЯ ТЕСТОВИХ ЗАВДАНЬ

1. У якому з перелічених нижче випадків відбувається зміна внутрішньої енергії тіла? Укажіть правильне твердження.

A У випадку зміни потенціальної енергії тіла.

Б У випадку зміни швидкості руху тіла.

В У випадку зміни кінетичної енергії тіла.

Г У випадку теплопередачі.

Обґрунтування вибору відповіді

□ Твердження А є неправильним. Внутрішня енергія — це сума кінетичної енергії хаотичного руху всіх частинок, що входять до складу тіла, і потенціальної енергії взаємодії цих частинок.

У випадку зміни потенціальної енергії тіла кінетична енергія хаотичного руху молекул цього тіла не змінюється. Лишається незмінною й потенціальна енергія взаємодії молекул тіла. Тому внутрішня енергія тіла в цьому випадку не змінюється. Наприклад, якщо покласти підручник фізики зі столу на підлогу, його внутрішня енергія не зміниться.

□ Твердження Б є неправильним. Штовхніть підручник фізики, що лежить на столі. Він почне рухатись, а через кілька секунд зупиниться. Якщо знехтувати нагріванням підручника через тертя, то характер руху та взаємодії молекул підручника не зміниться. Не зміниться й внутрішня енергія підручника (див. обґрунтування твердження А).

□ Твердження В є неправильним. Якщо змінюється швидкість руху тіла, то змінюється й кінетична енергія тіла, але при цьому не змінюється кінетична енергія молекул тіла.

□ Твердження Г є правильним. У випадку теплопередачі підвищується температура тіла. А за умови зміни температури тіла змінюється кінетична енергія хаотичного руху атомів і молекул, а також потенціальна енергія взаємодії атомів і молекул у рідинах і твердих тілах. Внутрішня енергія тіла в цьому випадку змінюється.

Відповідь: Г.

2. На рисунку зображено графік певного процесу для даної маси ідеального газу. Укажіть правильне твердження.

А Перехід газу зі стану 1 у стан 2 супроводжується підвищенням температури.

Б Коли газ переходить зі стану 1 у стан 2, внутрішня енергія газу збільшується.

В Робота газу в процесі переходу зі стану 1 у стан 2 додатна.

Г У процесі переходу газу зі стану 1 у стан 2 газ віддає певну кількість теплоти.

Обґрунтування вибору відповіді

□ Твердження А є неправильним. З рівняння стану для даної маси газу = const випливає, що в разі зменшення тиску та об'єму температура газу зменшується.

□ Твердження Б є неправильним. Внутрішня енергія ідеального одноатомного газу прямо пропорційна його абсолютній температурі:

U = RT. Оскільки абсолютна температура газу зменшується (див. обґрунтування твердження А), то й внутрішня енергія газу теж зменшується (∆U < 0).

□ Твердження В є неправильним. Оскільки газ стискали і об'єм газу зменшувався, то ∆V < 0 , робота газу в процесі переходу зі стану 1 у етап 2 Аг < 0 , тобто від'ємна.

□ Твердження Г є правильним. Відповідно до першого закону термодинаміки, Q = ∆U + Аг. У цьому випадку внутрішня енергія зменшується, тобто ∆U < 0 (див. обґрунтування твердження Б), робота газу від'ємна Аг < 0 , тому Q < 0 , тобто в процесі переходу газу зі стану 1 у стан 2 газ віддає певну кількість теплоти.

Відповідь: Г.

3. Щоб одержати з льоду масою 50 кг пару за температури 100 °С, у пристрої з ККД 25 % спалюють певну масу вугілля. Температура льоду дорівнює -5 °С , питома теплота згоряння вугілля становить 27 МДж/кг. Укажіть правильне твердження.

А Щоб нагріти й розплавити лід, треба витратити кількість теплоти, яка перевищує 16 МДж.

Б Щоб усю воду, яка утворилася в ході плавлення льоду, нагріти й перетворити на пару, треба витратити кількість теплоти, що перевищує 1,5 ∙ 108 Дж.

В Щоб перетворити весь лід у пару, необхідно спалити менш ніж 20 кг вугілля.

Г У ході згоряння вугілля в пристрої виділяється кількість теплоти більша ніж 8 ∙ 108 Дж.

Обгрунтування вибору відповіді :

□ Твердження А є правильним. Щоб нагріти й розплавити лід, необхідна така кількість теплоти:

Q1 = cлmл∆t + mлλ = mл (cл∆t + λ).

Підставляючи числові дані, одержуємо:

Q1 = 50(2100 ∙ 5 + 330 ∙ 103) = 17 ∙ 106 (Дж) = 17 МДж.

Твердження Б є неправильним. Щоб усю воду, яка утворилася в ході плавлення льоду, нагріти й перетворити на пару, треба витратити кількість теплоти:

Q2 = mвcв∆t + Lmв = mвв (tк - tпл ) + L]

Підставляючи числові дані, одержуємо:

Q2 = 50(4200 ∙ 100 + 2,3 ∙ 106) = 1,36 ∙ 108(Дж).

□ Твердження В є неправильним. Запишімо рівняння теплового балансу: Q3 = Q1 + Q2, де Q3 = rmвq

• Тоді необхідно спалити таку кіль кість вугілля:

mв = .

Підставляючи числові дані (з урахуванням обґрунтувань тверджень А і Б), одержуємо:

mв = = 22,7 (кг).

□ Твердження Г є неправильним. У ході згоряння вугілля виділяється така кількість теплоти: Q3 = mвq. Підставляючи числові дані (див. обґрунтування твердження В), одержуємо:

Q3 = 22,7 ∙ 27 ∙106 = 6,12 ∙ 108 (Дж).

Відповідь: А.

4. У калориметр, де міститься 500 г води за температури 20 °С, впустили 100 г водяної пари за температури 100 °С. Знехтувавши ємністю калориметра, вкажіть правильне твердження.

А У кінцевому стані в калориметрі буде тільки вода.

Б У кінцевому стані в калориметрі будуть вода й пара.

В У калориметрі встановиться температура нижча за 78 °С .

Г У кінцевому стані маса води в калориметрі буде меншою за 520 г.

Обґрунтування вибору відповіді

□ Твердження А є неправильним. Припустімо, що вся пара в калориметрі сконденсувалася. Тоді при цьому виділиться така кількість тепла: Q1 = mпL. Підставляючи числові дані, одержуємо:

Q1 = 0,1 ∙ 2,3 ∙ 106 = 2,3 ∙ 105 (Дж).

Для нагрівання води в калориметрі до температури 100 °С необхідно

Q2 = mвcв∆t = 0,5 ∙ 4200 ∙ 80 = 1,68 ∙ 105 (Дж).

Оскільки Q1 > Q2, ТО ВСЯ пара не сконденсується.

□ Твердження Б є правильним. У кінцевому стані в калориметрі будуть вода й пара, бо вся пара, впущена в калориметр, не сконденсується (див. обґрунтування твердження А).

□ Твердження В є неправильним. Оскільки в кінцевому стані в калориметрі будуть вода й пара (див. обґрунтування твердження Б), то в калориметрі встановиться температура, що дорівнює 100 °С.

□ Твердження Г є неправильним. Позначимо ∆m кількість пари, що сконденсувалася.

Тоді рівняння теплового балансу матиме вигляд: mвcв∆t = ∆mL , звідки ∆m = .

Підставляючи числові дані, знаходимо:

∆m = = 0,073 (кг).

Отже, у кінцевому стані в калориметрі буде 73 г води.

Відповідь: Б.

ТЕСТОВІ ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗАННЯ

1. У ході яких із зазначених нижче процесів робота газу дорівнює нулю? Укажіть правильне твердження. Обґрунтуйте, чому інші твердження є неправильними.

А У ході ізохорного нагрівання.

Б У ході ізотермічного розширення.

В У ході ізотермічного стискання.

Г У ході ізобарного розширення.

2. На рисунку зображено графік певного процесу для даної маси ідеального газу. Укажіть правильне твердження. Обґрунтуйте, чому інші твердження є неправильними.

А Робота газу від'ємна.

Б Температура газу зменшилася.

В Внутрішня енергія газу не змінилася.

Г Газ одержав певну кількість теплоти.

3. Серед наведених тверджень, що характеризують процеси плавлення й кристалізації, укажіть те, яке ви вважаєте правильним. Обґрунтуйте, чому інші твердження є неправильними.

А Кожна речовина має певну температуру плавлення.

Б У процесі плавлення кристалічного тіла температура тіла не змінюється.

В У ході плавлення внутрішня енергія тіла не змінюється.

Г У процесі кристалізації поглинається певна кількість теплоти.

4. Установіть відповідність між умовами застосування першого закону термодинаміки і характером зміни параметрів системи.

1 Ізотермічний процес

2 Ізохорний процес

3 Ізобарний процес

4 Адіабатний процес

А Внутрішня енергія змінюється тільки внаслідок теплопередачі.

Б Газ виконує роботу тільки за рахунок зміни своєї внутрішньої енергії.

В Уся підведена кількість теплоти витрачається на роботу проти зовнішнього тиску.

Г Внутрішня енергія газу змінюється без виконання роботи і без теплообміну з навколишнім середовищем.

Д Кількість теплоти, яку підводять до газу, витрачається на збільшення внутрішньої енергії й на роботу розширення газу.

5. Потужність ідеального теплового двигуна, який працює за циклом Карно, становить 40 Вт. Щосекунди робоче тіло отримує від нагрівника кількість теплоти, яка дорівнює 100 Дж. Укажіть правильне твердження. Поясніть, чому інші твердження є неправильними.

А ККД двигуна 60 %.

Б Щосекунди робоче тіло віддає холодильнику 60 Дж теплоти.

В Якщо холодильником слугує навколишнє повітря за нормальних умов, то температура нагрівника 33,3 °С.

Г Якщо температура нагрівника 223 °С, то температура холодильника 25 °С.









загрузка...

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами. Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посилання на сайт, будьте вдячними ми затратили багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2008-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.