Transcript Druhý termodynamický zákon - Gymnázium Vincence Makovského

Gymnázium Vincence Makovského se sportovními třídami
Nové Město na Moravě
VY_32_INOVACE_FYZ_RO_10
Digitální učební materiál
Sada:
Molekulová fyzika a termika
Téma:
Druhý termodynamický zákon
Autor:
Mgr. Jan Rosecký
Předmět: Fyzika
Ročník: 2. ročník VG
Využití: Prezentace určena k výkladu látky z molekulové fyziky a termiky na gymnáziu.
Anotace: Prezentace se skládá z úvodního opakování, vyvození látky k tématu druhý
termodynamický zákon a závěrečného shrnutí (procvičení učiva).
Šedé texty a grafy jsou při výkladu na interaktivní tabuli dopisovány a
dokreslovány. Před použitím prezentace je doporučeno je smazat.
Gymnázium Vincence Makovského se sportovními třídami
Nové Město na Moravě
Molekulová fyzika a termika
Druhý termodynamický zákon
Opakování
•
•
•
Co je kruhový děj?
Děj se shodným počátečním a konečným stavem
Z jakých dějů se skládá tento cyklus?
𝑝
AB = izobarická expanze
BC = izochorické ochlazování
CA = izotermická komprese
Při tomto ději plyn koná či přijímá práci?
přijímá
Jak z diagramu určíme velikost vykonané práce?
odpovídá velikosti obrazce pod úsečkou AB
Jak vypočítáme velikost vykonané práce?
𝑊′ = 𝑝 . ∆𝑉 = 𝑝𝐴 . (𝑉𝐵 − 𝑉𝐴 )
Jak vypočítáme účinnost kruhového děje?
𝑊′ − 𝑊
η=
𝑄
Obr. 1
𝐴
𝐵
𝐶
𝑉
Opakování
•
Kruhový děj se skládá z izotermické expanze a izotermické
komprese. Znázorněte takový cyklus v 𝑝𝑉 diagramu.
Jakou celkovou práci při takovém cyklu vykoná plyn?
𝑊′ − 𝑊 = 0
Jaká je účinnost takového cyklu?
η=0
𝑝
Obr. 2
𝐴
𝐵
𝑉
Opakování
•
Plyn přijal během jednoho cyklu teplo 𝟏𝟎 𝒌𝑱 a odevzdal chladiči
teplo 𝟒 𝒌𝑱. Jakou práci vykonal při jednom cyklu?
Jaká je účinnost tohoto cyklu?
𝑸 = 𝟏𝟎 𝒌𝑱
𝑸′ = 𝟒 𝒌𝑱
𝑾′ = ?; 𝜼 = ?
𝑾′ = 𝑸 − 𝑸′ [𝒌𝑱]
𝑾′ = 𝟔 𝒌𝑱
𝜼=
•
•
𝑾′
𝑸
=
𝑸 −𝑸′
𝑸
[%]
𝜼 = 𝟎, 𝟔 = 𝟔𝟎 %
Jak zní první termodynamický zákon?
Vnitřní energie se změní o součet přijaté práce a přijatého tepla.
Co je perpetuum mobile? Lze sestrojit?
Stroj pracující bez dodávání energie, sestrojit nelze.
Perpetuum mobile prvního druhu
= mechanický stroj, který vykonává práci bez dodávání energie
•
•
•
video – páka
video – magnetismus
video – hydrostatika
Tepelný stroj
= periodicky pracující stroj, opakuje kruhové děje
– při jednom ději:
– přijme od ohřívače teplo 𝑄1
– odevzdá chladiči teplo 𝑄2
– vykoná práci 𝑊′ = 𝑄1 − 𝑄2
Obr. 3
ohřívač
𝑄1
– práce vykonaná při kruhovém ději
a teplo přijaté od ohřívače: 𝑾‘ < 𝑸𝟏
tepelný
stroj
– účinnost kruhového děje:  < 𝟏
𝑄2
•
Kdy by byla účinnost stroje 100 %?
Jak bychom takový stroj nazvali?
chladič
𝑊‘
Druhý termodynamický zákon
Nelze sestrojit periodicky pracující stroj,
který by jen přijímal teplo od ohřívače
a vykonal stejně velikou práci.
Obr. 4
Nelze sestrojit perpetuum mobile druhého druhu.
ohřívač
𝑄1
tepelný
stroj
𝑊‘
Druhý termodynamický zákon
Nelze sestrojit periodicky pracující stroj,
který by jen přijímal teplo od ohřívače
a vykonal stejně velikou práci.
Obr. 5
Nelze sestrojit perpetuum mobile druhého druhu.
Těleso o vyšší teplotě nemůže samovolně
přijímat teplo od tělesa o nižší teplotě.
•
Vysvětlete proč.
ohřívač
𝑄1
tepelný
stroj
𝑊‘
Otázky
•
•
Jakou účinnost by mělo perpetuum mobile druhého druhu?
Mezi známé hračky patří tzv. čínský ptáček, který periodicky
ponořuje zobáček z porézního materiálu do kádinky s vodou. Z
vnitřku ptáčka je vyčerpán vzduch a je v ní určité množství
obarveného etheru, jehož tlak nad hladinou závisí na teplotě.
Co je zde ohřívač a co chladič?
Jde o perpetuum mobile? Proč?
video
Otázky
•
Předpokládejme, že periodicky pracující tepelný stroj o výkonu
𝟏 𝑴𝑾 pracuje tak, že ochladí vodu o objemu 𝟏 𝒌𝒎𝟑 o 𝟏 °𝑪 a
vykoná při tom práci, která je rovna teplu přijatému od vody.
Jak dlouho by mohl tento stroj pracovat?
Je možné tímto způsobem využít vnitřní energii vody?
𝑷 = 𝟏 𝑴𝑾 = 𝟏𝟎𝟔 𝑾
𝒗𝒐𝒅𝒂; 𝒄 = 𝟒𝟏𝟖𝟎 𝑱 . 𝒌𝒈−𝟏 . 𝑲−𝟏 ; ρ = 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝒌𝒈 . 𝒎𝟑
𝑽 = 𝟏 𝒌𝒎𝟑 = 𝟏𝟎𝟗 𝒎𝟑
𝒕 = 𝟏 °𝑪 ; 𝑻 = 𝟏 𝑲
τ = ? [čas]
τ=
𝑾
𝑷
=
𝑸
𝑷
=
𝒎 . 𝒄 . ∆𝑻
𝑷
=
𝑽 . ρ . 𝒄 . ∆𝑻
𝑷
τ = 𝟒, 𝟏𝟖 . 𝟏𝟎𝟗 𝒔 = 𝟏𝟑𝟐, 𝟓 𝒓
[𝒔]
Zdroje
•
Obr. 1 až 5: autor