Термодинамика – мәселелер және оларды шешу жолдары

Термодинамика – мәселелер және оларды шешу жолдары

Термодинамиканың бірінші заңы

1. Төмендегі PV графигіне сүйене отырып, I процесіндегі газдың атқарған жұмысының II процесіндегі газдың атқарған жұмысына қатынасы қандай ?

Белгілі:

1-процесс:

Қысым (P) = 20 Н/ ^м2

Бастапқы көлем (V ¹ ₎ = 10 литр = 10 дм³ ⁼ 10 x 10 ^-3 м³

Соңғы көлем (V2 ⁾ ₌ 40 литр = 40 дм³ ⁼ 40 x 10 ^-3 м³

2-процесс:

Процесс (P) = 15 Н/м ²

Бастапқы көлем (V ¹ ₎ = 20 литр = 20 дм³ ⁼ 20 x 10 ^-3 м³

Соңғы көлем (V2 ⁾ ₌ 60 литр = 60 дм³ ⁼ 60 x 10 ^-3 м³

Қажетті: Газдың атқарған жұмысының қатынасы

Шешімі:

I процесінде газдың атқаратын жұмысы:

W = P ΔV = P (V ₂ –V ₁ ) = (20)(40-10)(10 ^-3 м ³ ) = (20)(30)(10 ^-3 м ³ ) = (600)(10 ^-3 м ³ ) = 0.6 м ³

II процесте газдың атқаратын жұмысы:

W = P ΔV = P (V ₂ –V ₁ ) = (15)(60-20)(10 ^-3 м ³ ) = (15)(40)(10 ^-3 м ³ ) = (600)(10 ^-3 м ³ ) = 0.6 м ³

I және II процестердегі газдың атқарған жұмысының қатынасы:

0.6 м ³ : 0.6 м ³

1: 1

2.

Төмендегі графикке сүйене отырып, AB процесінде гелий газының атқаратын жұмысы қандай?

Белгілі:

Қысым (P) = 2 x 10 ⁵ Н/м ² = 2 x 10 ⁵ Паскаль

Бастапқы көлем (V ₁ ) = 5 см ³ = 5 x 10 ^-6 м ³

Соңғы көлем (V2 ⁾ ₌ 15 см3 ⁼ 15 x 10 ^-6 м3

Қажетті: AB процесінде газбен орындалатын жұмыс

Шешімі:

W = ∆P ∆V

W = P ( _V2 – _V1 )

W = (2 x 10 ⁵ )(15 x 10 ^-6 – 5 x 10 ^-6 )

W = (2 x 10 ⁵ )(10 x 10 ^-6 ) = (2 x 10 ⁵ )(1 x 10 ^-5 )

W = 2 Джоуль

3.

Төмендегі графикке сүйене отырып, AB процесінде қандай жұмыс атқарылады?

Белгілі:

Бастапқы қысым (P1 ₎ = 4 Па = 4 Н/ ^м2

Соңғы қысым (P2 ₎ = 6 Па = 6 Н/ ^м2

Бастапқы көлем (V1 ₎ = 2 ^м3

Соңғы көлем (V2 ₎ = 4 ^м3

Қажет: орындалған жұмыс Мен өңдеймін

Шешімі:

Газдың атқарған жұмысы = ab қисығының астындағы аудан

W = үшбұрыштың ауданы + тіктөртбұрыштың ауданы

W = ½ (6-4)(4-2) + 4(4-2)

W = ½ (2)(2) + 4(2)

W = 2 + 8

W = 10 Джоуль

4. Төмендегі графикке сүйене отырып, ABCA процесінде қандай жұмыс атқарылғанын көрсетіңіз.

Шешімі:

Жұмыс (W) = ABC үшбұрышының ауданы

W = ½ (20-10)(6 x 10 ⁵ – 2 x 10 ⁵ )

W = ½ (10)(4 x 10 ⁵ )

W = (5)(4 x 10 ⁵ )

W = 20 x 10 ⁵

W = 2 x 10 ⁶ Джоуль

Жылу қозғалтқышы

5. Қозғалтқыш жоғары температурада 2000 Дж жылу сіңіреді және төмен температурада 1200 Дж жылу шығарады. Қозғалтқыштың ПӘК-і қандай?

Белгілі:

Жылу шығыны (QH ₎ = 2000 Джоуль

Жылу шығыны (Q _L ) = 1200 Джоуль

Қозғалтқыштың атқарған жұмысы (W) = 2000 – 1200 = 800 Джоуль

Қажетті: тиімділік (e)

Шешімі:

e = W / Q _H

e = 800/2000

e = 0.4 x 100%

e = 40%

Карно қозғалтқышы

6. Қозғалтқыш 960 Кельвин температурада жылуды сіңіреді, ал қозғалтқыш 576 Кельвин температурада жылу шығарады. Қозғалтқыштың ПӘК-і қандай?

Белгілі:

Жоғары температура (T _H ) = 960 К

Төмен температура (T _L ) = 576 К

Қажетті: тиімділік (e)

Шешімі:

Карно қозғалтқышының тиімділігі = 0.4 x 100% = 40%

7. Төмендегі графикке сүйене отырып, қозғалтқыштың атқаратын жұмысы 6000 Дж. Қозғалтқыштың әр шеңбер бойымен бөлетін жылуы қандай?

Белгілі:

Жұмыс (W) = 6000 Джоуль

Жоғары температура (T _H ) = 800 Кельвин

Төмен температура (T _L ) = 300 Кельвин

Қажетті: қозғалтқыш шығаратын жылу

Шешімі :

Карно (идеалды) тиімділігі:

Карно қозғалтқышы сіңіретін жылу:

W = e Q ₁

6000 = (0.625) _{1-ші сұрақ}

Q ₁ = 6000 / 0.625

Q ₁ = 9600

Карно қозғалтқышынан бөлінетін жылу:

С ₂ = С ₁ – W

С ₂ = 9600 – 6000

Q ₂ = 3600 Джоуль

8. Карно қозғалтқышының ПӘК-і 40%-ға тең. Егер жылу 727°C температурада сіңірілсе, онда төменгі температура қандай?

Белгілі:

Тиімділік (e) = 40% = 40/100 = 0.4

Жоғары температура (T _H ) = 727 ^o C + 273 = 1000 K

Қажеттілік: Төмен температура

Шешімі:

Температура _L = 600 Кельвин – 273 = 327 ^° C

9. Төмендегі графикке сүйене отырып, егер қозғалтқыш 800 Дж жылу сіңірсе, қозғалтқыштың атқаратын жұмысы қандай?

Белгілі:

Жоғары температура (T _H ) = 600 Кельвин

Төмен температура (T _L ) = 250 Кельвин

Жылу шығыны (Q ₁ ) = 10 000 Джоуль

Қажет: Жұмыс (W)

Шешімі:

Карно қозғалтқышының пайдалы әсер коэффициенті:

Жұмыс қозғалтқышпен орындалды:

W = e Q ₁

W = (7/12)(800 Джоуль)

W = 466.7 Джоуль

10. Карно қозғалтқышының жоғары температурасы 600 К. Егер қозғалтқыш 600 Дж жылу сіңірсе, ал төменгі температура 400 К болса, қозғалтқыштың атқаратын жұмысы қандай?

Белгілі:

Төмен температура (T _L ) = 400 К

Жоғары температура (T _H ) = 600 К

Жылу шығыны (Q ₁ ) = 10 000 Джоуль

Қажет: Жұмыс Carnot қозғалтқышымен (W) орындалды

Шешімі:

Карно қозғалтқышының тиімділігі:

Жұмыс Carnot қозғалтқышымен орындалды:

W = e Q ₁

W = (1/3)(10 000) = 200 Джоуль

1. Термодинамиканың негізгі бағыты қандай? жауапТермодинамика энергияны, оның түрленулерін және материямен байланысын, әсіресе тепе-теңдіктегі жүйелерде зерттеуге бағытталған.
2. Термодинамиканың нөлдік заңы температурамен қалай байланысты? жауапНөлдік заң бойынша, егер екі жүйе үшінші жүйемен жылулық тепе-теңдікте болса, онда олар бір-бірімен жылулық тепе-теңдікте болады. Бұл жылулық тепе-теңдіктегі барлық жүйелер үшін бірдей температура деп аталатын қасиеттің бар екенін білдіреді.
3. Термодинамиканың бірінші заңы нені сипаттайды? жауапЭнергияның сақталу заңы деп те аталатын бірінші заң энергияның пайда болуы немесе жойылуы мүмкін еместігін, тек бір түрден екінші түрге айналуы мүмкін екенін айтады. Тұйық жүйеде ішкі энергияның өзгеруі жүйеге қосылған жылу мөлшерінен жүйенің қоршаған ортаға жасаған жұмысын алып тастағанға тең.
4. Неліктен термодинамиканың екінші заңы табиғи процестердің бағытын түсіну үшін өте маңызды? жауапЕкінші заң оқшауланған жүйенің энтропиясының (немесе ретсіздігінің) әрқашан артатынын немесе тұрақты болып қалатынын айтады. Бұл энергияның кедергі келтірмесе, өздігінен таралатынын, табиғи процестерге бағыт беретінін және белгілі бір процестердің неліктен өздігінен жүретінін, ал басқаларының жүрмейтінін түсіндіретінін көрсетеді.
5. Энтропия дегеніміз не және ол жүйедегі ретсіздікпен қалай байланысты? жауапЭнтропия - жұмыс істеуге қол жетімсіз жүйедегі энергия мөлшерінің өлшемі. Ол сондай-ақ көбінесе жүйенің ретсіздігінің немесе кездейсоқтығының өлшемі ретінде сипатталады. Жалпы, жоғары энтропия үлкен ретсіздікке немесе кездейсоқтыққа сәйкес келеді.
6. Термодинамиканың үшінші заңы абсолют нөлдегі мінсіз кристалдың энтропиясын қалай сипаттайды? жауапҮшінші заң бойынша, абсолютті нөлдік температурада (0 Кельвин) мінсіз кристалдың энтропиясы нөлге тең. Бұл дегеніміз, бұл температурада жүйе мінсіз реттелген.
7. Неліктен жылу суық денеден ыстық денеге өздігінен ауыса алмайды? жауапБұл мінез-құлық термодинамиканың екінші заңының салдары болып табылады. Егер жылу суық денеден ыстық денеге өздігінен ауысса, бұл жүйенің жалпы энтропиясының төмендеуіне әкеледі, бұл табиғи процестермен қолайлы емес.
8. Термодинамикадағы оқшауланған, жабық және ашық жүйенің айырмашылығы неде? жауапОқшауланған жүйе қоршаған ортамен энергия немесе зат алмаспайды. Жабық жүйе энергия алмаса алады, бірақ оның қоршаған ортамен ешқандай байланысы жоқ. Ашық жүйе қоршаған ортамен энергия мен зат алмаса алады.
9. Термодинамикадағы «жұмыс» ұғымы күнделікті қолданыстан қалай ерекшеленеді? жауапТермодинамикада «жұмыс» дегеніміз энергия беру процесін білдіреді, мұнда затқа қолданылатын күштер оны күшке параллель бағытта жылжытады. Мысалы, газ поршеньге қарсы кеңейгенде, ол поршеньде жұмыс істейді. Бұл «жұмыс» сөзінің күнделікті қолданылуымен салыстырғанда нақтырақ анықтама, ол жай ғана кез келген тапсырманы немесе әрекетті білдіруі мүмкін.

10. Карно циклі дегеніміз не және ол термодинамикада неліктен маңызды? Жауап : Карно циклі - кез келген классикалық термодинамикалық қозғалтқыш жылуды жұмысқа айналдыру кезінде (немесе керісінше) қол жеткізе алатын тиімділіктің жоғарғы шегін қамтамасыз ететін идеалдандырылған термодинамикалық цикл. Бұл маңызды, себебі ол қозғалтқыш жұмыс істейтін жылу резервуарларының температурасына негізделген негізгі тиімділік шегін белгілейді.