Во время расширения газа в цилиндре с поперечным сечением

Термодинамические системы

По словам профессора физики университета штата Миссури Макки, энергию можно разделить на две части. К одной из них принадлежит поршень, движущийся и толкающий газ.

Макки объясняет: «Когда я приставляю два образца металла друг к другу, два атома сталкиваются, одна из частиц отрывается быстрее другой, я не могу удержаться от наблюдения за этим процессом. Это происходит в очень маленьком масштабе времени, на небольшом расстоянии и много раз в секунду. Итак, мы просто делим всю передачу энергии на две группы: то, что мы будем отслеживать, и то, что не будем. Последний из них называется теплом». Термодинамические системы обычно рассматриваются как открытые, закрытые или изолированные:

1. Открытая система, в отличие от закрытой или изолированной, свободно обменивается энергией и веществом с окружающей средой. Например, кастрюля с кипящим супом получает энергию из печи, излучает тепло из емкости и выделяет вещество в виде пара. Это открытая система.
2. Если поставить крышку на горшок плотно, он всё равно будет излучать тепловую энергию, но больше не станет выделять вещество в виде пара. Это закрытая система.
3. Если налить суп в идеально изолированный термос и закрыть крышку, не будет никакой энергии или вещества. Это изолированная система.

В другом примере звёзды белых карликов, которые больше не производят энергию, могут быть изолированы световыми годами почти до идеального вакуума в межзвёздном пространстве, но в итоге они будут охлаждаться с нескольких десятков тысяч градусов почти до абсолютного нуля в связи с потерей энергии из-за излучения. Хотя этот процесс занимает больше времени, чем нынешний век Вселенной, его не остановить.

Какие материалы используют для изготовления цилиндра?

Сталь

Одним из наиболее распространенных материалов для изготовления цилиндров является сталь. Она обладает хорошей прочностью и устойчивостью к высоким температурам, что является важным качеством при работе в условиях расширения при нагревании.

Алюминий

Другим популярным материалом является алюминий. Он легче и более коррозионностойкий, чем сталь, но обладает более низкой прочностью, поэтому часто используется при создании цилиндров для небольших давлений и температур.

Титан

Титан — это более дорогой и технологичный материал, который обладает высокой прочностью и легким весом. Из-за своих характеристик, титановые цилиндры могут выдерживать высокие температуры и давления, что идеально подходит для использования в испытательной аппаратуре или лабораториях.

Полимерные материалы

Полимерные материалы — это искусственные материалы, которые характеризуются высокой прочностью, долговечностью и легким весом. Благодаря своей базовой химической структуре, они также могут обладать высокой устойчивостью к высоким температурам и давлениям. Их возможности в изготовлении цилиндров еще не до конца исследованы, но они показывают хорошие результаты в некоторых областях.

Керамика

Керамические материалы являются очень прочными и легкими, а также устойчивы к износу, коррозии и высокой температуре. Недостатком керамики является то, что она сложнее и дороже в обработке, поэтому применяется для изготовления цилиндров только в некоторых отраслях, таких как авиация и аэрокосмическая промышленность.

Как учитывать расширение в цилиндре в повседневной жизни?

При выборе одежды

Если вам необходимо выбрать плотную или облегающую одежду, учтите, что она может стать тесной при нагревании. Например, при выборе брюк на зиму, учитывайте, что при посадке в горячую машину материал обычно садится и может стать более тесным, чем было на витрине магазина.

При выборе материалов для ремонта

При выборе материалов для проведения ремонта учтите, что расширение может играть важную роль. Например, при выборе материалов для укладки плитки учитывайте возможность расширения плитки при нагревании. Если материал не устойчив ко расширению, то плитка может треснуть в результате температурных изменений.

При работе с банками и стеклянными бутылками

Если вы привыкли покупать большие банки или стеклянные бутылки с напитками, учтите, что при нагревании жидкость может расширяться и выходить за пределы банки или бутылки. Чтобы избежать неприятностей и разливов, рекомендуется оставлять небольшой запас места в банке или бутылке для возможного расширения жидкости.

• Контролируйте температуру воды в бассейнах и гидромассажных ваннах, чтобы избежать переполнения уровня воды за пределы ванны при нагревании воды.
• При использовании пластиковых бутылок для напитков, учитывайте, что они могут сжиматься при нагревании в горячей машине.

Учитывая возможности расширения материалов при нагреве, можно избежать многих проблем в повседневной жизни.

Примеры решения задач по теме: «Первый закон термодинамики»

Подробности

Обновлено 13.08.2018 15:32

«Физика — 10 класс»

В большей части задач используется не общая форма первого закона термодинамики, а его различные частные формулировки, применимые к определённым процессам.
Задачи на теплообмен в изолированной системе решаются с помощью уравнения теплового баланса (13.10).

При решении задач надо чётко выделять начальное и конечное состояния системы, а также характеризующие её параметры.

Задача 1.

Во время расширения газа, вызванного его нагреванием, в цилиндре с площадью поперечного сечения S = 200 см2 газу было передано количество теплоты Q = 1,5 • 105 Дж, причём давление газа оставалось постоянным и равным р = 2 • 107 Па.
На сколько изменилась внутренняя энергия газа, если поршень передвинулся на расстояние Δh = 30 см?

Р е ш е н и е.

Согласно первому закону термодинамики в форме (13.12) Q = ΔU + А’, где А’ = pSΔh — работа, совершённая газом.
Отсюда ΔU = Q — pSΔh = 30 кДж.

Задача 2.

Газ расширяется от объёма V₁ до объёма V₂ один раз изотермически, другой изобарно и третий адиабатно.
При каком процессе газ совершает большую работу и при каком газу передаётся большее количество теплоты?

Р е ш е н и е.

На диаграмме р—V (рис. 13.10) изобразим все три процесса.

Работа численно равна площади криволинейной трапеции.
Из рисунка очевидно, что работа при изобарном процессе будет максимальной, при адиабатном минимальной, т. е. A’_{1 — 2′} > A’_1—2 > A_1—2″.

Температура газа в состоянии 2′ больше, чем в состоянии 2, а температура в состоянии 2 больше, чем в состоянии 2″ (Т_2′ > Т₂ > Т_2″).
В этом легко убедиться, начертив изотермы, проходящие через точки 2′ и 2″.
При процессе 1—2′ изменение внутренней энергии AU > 0, при процессе 1—2 ΔU = 0.
Очевидно, что поскольку Q = ΔU + А’ (первый закон термодинамики), то Q_1-2′ > Q_{2 — 2} > Q_{1- 2″} (Q_{1 — 2″} = 0).

Задача 3.

Пусть азот нагревается при постоянном давлении.
Зная, что масса азота m = 280 г, количество затраченной теплоты Q = 600 Дж и удельная теплоёмкость азота при постоянном объёме c_v = 745 Дж/(кг • К), определите, на сколько повысилась температура азота.
Молярная масса азота М = 0,028 кг/моль.

Р е ш е н и е.

Согласно первому закону термодинамики Q = ΔU + А’.

Изменение внутренней энергии ΔU = c_vmΔT.

Работа при изобарном процессе А’ = pΔV = (m/M)RΔT.

Следовательно, Q = mΔT(c_v + R/M), откуда

Следующая страница «Второй закон термодинамики»

Назад в раздел «Физика — 10 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский»

Основы термодинамики. Тепловые явления — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Насыщенный пар —
Давление насыщенного пара —
Влажность воздуха —
Примеры решения задач по теме «Насыщенный пар. Влажность воздуха» —
Кристаллические тела —
Аморфные тела —
Внутренняя энергия —
Работа в термодинамике —
Примеры решения задач по теме «Внутренняя энергия. Работа» —
Количество теплоты. Уравнение теплового баланса —
Примеры решения задач по теме: «Количество теплоты. Уравнение теплового баланса» —
Первый закон термодинамики —
Применение первого закона термодинамики к различным процессам —
Примеры решения задач по теме: «Первый закон термодинамики» —
Второй закон термодинамики —
Статистический характер второго закона термодинамики —
Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей —
Примеры решения задач по теме: «КПД тепловых двигателей»

Как влияет расширение в цилиндре на эффективность двигателя?

Расширение в цилиндре при нагревании

Когда двигатель начинает работать и топливный смесь горит в цилиндре, температура увеличивается, следовательно, объем газов в цилиндре расширяется. Это расширение газов необходимо учитывать при проектировании двигателя, так как оно влияет на его эффективность.

Влияние на эффективность двигателя

Расширение газов в цилиндре приводит к тому, что крышка цилиндра приобретает давление, которое действует на поршень. Из-за этого поршень начинает двигаться, создавая механическую работу, которая передается на кривошип и далее на колеса автомобиля.

Чем больше расширение газов в цилиндре, тем больше механическая работа производится двигателем. Это также означает, что двигатель производит больше мощности и может двигаться быстрее. Однако, если расширение слишком большое, это может привести к перегреву двигателя и даже к потере мощности.

Следовательно, чтобы достичь максимальной эффективности двигателя, необходимо учитывать расширение газов в цилиндре и правильно выбирать соотношение расширения и сжатия.

Как избежать увеличения издержек в связи с расширением в цилиндре?

Использовать материалы с высокой коэффициентом теплового расширения

Один из способов снижения издержек при нагревании цилиндра — использование материалов с высоким коэффициентом теплового расширения, таких как нержавеющая сталь или алюминий. Это позволит снизить вероятность деформации или поломки оборудования в результате термического расширения.

Использовать технологии компенсации расширения

Технологии компенсации расширения цилиндров помогут сохранить стабильность работы оборудования при нагревании. Например, можно использовать специальные компенсаторы термического расширения, которые позволяют компенсировать изменения размера трубопроводов и цилиндров.

Проводить регулярное техническое обслуживание

Регулярное техническое обслуживание цилиндров и трубопроводов поможет выявить возможные деформации и повреждения в результате расширения при нагревании. Это позволит предотвратить поломки оборудования и снизить издержки на ремонт.

Использовать термоизоляционные материалы

Использование термоизоляционных материалов может помочь снизить издержки на нагревание и охлаждение цилиндров. Такие материалы помогают сохранить тепло, уменьшая энергопотребление и снижая затраты на электроэнергию.

• Выбор материала с высоким коэффициентом теплового расширения.
• Использование технологий компенсации расширения.
• Регулярное техническое обслуживание оборудования.
• Использование термоизоляционных материалов.

История открытия

История термодинамики начинается с Отто фон Герике, который в 1650 году построил первый в мире вакуумный насос и продемонстрировал его действие, используя свои магдебургские полушария. Ученый был вынужден произвести такой эксперимент, чтобы опровергнуть давнее предположение Аристотеля о том, что «природа не терпит вакуума».

Вскоре после этого в 1656 году английский физик и химик Роберт Бойль узнал о конструкции Герике и по согласованию с учёным Робертом Гуком построил воздушный насос. Используя его, они заметили корреляцию между давлением, температурой и объёмом. Со временем был сформулирован закон Бойля, согласно которому давление и объём обратно пропорциональны.

Французский физик Сади Карно впервые сформулировал базовый принцип термодинамики в 1824 году. Его учёный использовал для определения своего теплового двигателя цикла Карно. В итоге этот принцип перешел во второй закон термодинамики немецкого физика Рудольфа Клаузиуса. Ему нередко приписывают и формулировку первого закона.

Одной из причин быстрого развития термодинамики в XIX веке была необходимость разработки эффективных паровых двигателей во время промышленной революции.

Какие факторы влияют на расширение в цилиндре?

Температура

Одним из наиболее значимых факторов, влияющих на расширение материала в цилиндре является температура. При нагревании материала, его молекулы начинают колебаться с большей амплитудой, что приводит к увеличению между ними расстояния. Поэтому, чем выше температура, тем больше материал расширяется.

Вид материала

Каждый материал расширяется в своей степени при нагревании. Например, металлы обладают большой термической плавкостью, поэтому они сильно расширяются при нагреве. А материалы с меньшей термической плавкостью, например, керамика или стекло, расширяются значительно меньше.

Размер и форма

Размер и форма цилиндра также имеют значение для расширения материала. Чем меньше размер цилиндра, тем меньше он расширится при нагреве, но при этом форма цилиндра может также влиять на его расширение. Например, если форма цилиндра не симметричная, то он может расширяться неравномерно.

Давление и температура среды

Если цилиндр находится в среде с высоким давлением и/или температурой, то это может также влиять на его расширение. Например, если цилиндр находится в среде с высоким давлением, то материал стенок цилиндра может расширяться несколько больше, чтобы удержать свою форму.

Применение на практике

Наиболее распространённым практическим применением I закона является тепловой двигатель. Он преобразует тепловую энергию в механическую и наоборот. Большинство таких двигателей попадает в категорию открытых систем. Их основной принцип использует взаимосвязь между теплом, объёмом и давлением рабочей жидкости, которая обычно является газом. В некоторых случаях она может подвергаться фазовым переходам от газа к жидкости и обратно во время цикла.

Если газ подвергается нагреванию, он расширяется, но когда он ограничен, давление увеличивается. Если нижняя стенка удерживающей камеры является верхом подвижного поршня, то давление оказывает силу на поверхность, заставляя его двигаться вниз. Это движение затем можно использовать для выполнения работы, равной суммарному усилию, приложенному к верхней части поршня, умноженному на расстояние, на которое он перемещается.

Существуют многочисленные вариации основного теплового двигателя. Например, паровые двигатели полагаются на внешнее сгорание, чтобы нагреть бак котла, содержащий рабочую жидкость, обычно воду. Она превращается в пар, а затем давление используется для привода поршня, который преобразует тепловую энергию в механическую. Однако в автомобильных двигателях используется внутреннее сгорание, когда жидкое топливо испаряется, смешивается с воздухом и воспламеняется внутри цилиндра над подвижным поршнем, приводящим его в движение вниз.

Холодильники и тепловые насосы — это двигатели, которые преобразуют механическую энергию в тепло. Большинство из них попадает в категорию закрытых систем. Когда газ сжимается, его температура увеличивается. Он может затем передавать тепло в окружающую среду. Затем, когда сжатому газу позволяют расширяться, его температура становится ниже, чем была до сжатия, потому что часть его тепловой энергии оказалась удалена во время горячего цикла. Холодный газ может затем поглощать тепловую энергию из окружающей среды. Это принцип работы кондиционера.

Тепловой насос — это просто кондиционер, работающий в обратном направлении. Тепло от сжатой рабочей жидкости используется для обогрева здания. После этого он переносится наружу, где расширяется и становится холодным, что позволяет ему поглощать тепло из наружного воздуха, который даже зимой обычно теплее, чем холодная рабочая жидкость.

В геотермальных или наземных системах кондиционирования воздуха и тепловых насосах используются длинные U-образные трубки в глубоких скважинах или набор горизонтальных труб, погруженных в большую площадь, по которой циркулирует рабочая жидкость, а тепло передаётся на землю или из нее. Другие системы используют реки или океаническую воду для нагрева или охлаждения рабочей жидкости.

Какие методы используют для расчета расширения в цилиндре?

Метод линейной экстраполяции

Данный метод заключается в использовании показателя линейной температурной экспансии, который определяется для материала цилиндра. Измерив изменение длины цилиндра при заданной изменении температуры, можно определить коэффициент линейного расширения. Затем, используя формулу, можно рассчитать изменение площади поперечного сечения или объема цилиндра.

Метод численного моделирования

Этот метод используется при расчете сложных систем, где нужно учитывать множество параметров, влияющих на расширение цилиндра. Он основывается на создании компьютерной модели, которая включает в себя все необходимые параметры, такие как температура, давление, материал цилиндра и т.д. Построив модель, можно проводить различные расчеты и симуляции, что позволяет получать более точные значения расширения.

Метод опытов

Данный метод заключается в проведении экспериментов на реальных объектах или их моделях. Он связан с измерением изменения размеров и объемов цилиндра при изменении температуры. Но данный метод позволяет получать наиболее точные значения, так как учитывает все особенности и параметры объекта.

• Метод линейной экстраполяции
• Метод численного моделирования
• Метод опытов

В зависимости от задачи, можно выбрать наиболее оптимальный метод расчета расширения в цилиндре. Однако, для повышения точности результатов рекомендуется использовать несколько методов одновременно и сравнивать их значения.

Определение и понятие

Термодинамика — это раздел физики, который занимается взаимоотношениями между теплом и другими формами энергии. В частности, он описывает, как тепловая энергия преобразуется в другие виды и влияет на материю. Основные принципы термодинамики содержат три закона:

1. I закон термодинамики гласит, что тепло является формой энергии, поэтому термодинамические процессы подчиняются принципу ее сохранения. Это означает, что тепловая энергия не может быть создана или уничтожена, однако ее можно перенести из одного места в другое и преобразовать в другие виды. Изменение энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты, переданной системе, и работой, совершенной системой над внешними силами.
2. Второе начало термодинамики гласит, что энтропия любой замкнутой изолированной системы всегда увеличивается. Изолированные системы самопроизвольно эволюционируют в направлении теплового равновесия — состояния максимальной энтропии (мера упорядоченности) системы. Энтропия Вселенной (предельно изолированная система) только увеличивается и никогда не уменьшается. Кратко описать этот простой закон можно так: комната, если её не убирать, со временем неизменно становится более грязной и беспорядочной, даже если постоянно поддерживать ее в чистоте. Когда происходит уборка в помещении, его изолированная система уменьшается, но усилия по очистке приводят к ее увеличению за пределами комнаты, которое превышает потерянную энтропию.
3. Третье начало термодинамики гласит, что энтропия системы приближается к постоянному значению, когда температура снижается к абсолютному нулю. Предельно изолированная система обычно равна нулю и во всех случаях определяется только количеством различных основных состояний, которые она имеет. В частности, энтропия чистого кристаллического вещества (идеальный порядок) при абсолютной нулевой температуре равна нулю. Это выражение верно, если идеальный кристалл имеет только одно состояние с минимальной энергией.

Эти законы не имеют особого отношения к тому, как и почему происходит теплообмен, что имеет смысл для открытий, которые были сформулированы до того, как атомная теория была полностью принята. Они имеют дело с общей суммой энергетических и тепловых переходов внутри системы и не учитывают специфическую природу теплопередачи на атомном или молекулярном уровне.

Как изменяется объем газа внутри цилиндра при нагревании?

Эффект изменения температуры на объем газа

При нагревании газа в цилиндре происходит увеличение его объема. Это объясняется тем, что при нагревании температура молекул газа возрастает, они начинают двигаться быстрее, в результате чего они начинают занимать больше места в цилиндре.

Таким образом, при постоянном давлении газа его объем будет пропорционален температуре газа. Из этого следует, что изменение температуры может привести к изменению объема газа внутри цилиндра.

Значение закона Шарля

Закон Шарля устанавливает, что при постоянном давлении объем газа пропорционален температуре. Он утверждает, что при изменении температуры на определенное количество градусов, объем газа изменится на одинаковое количество единиц: каждое увеличение в температуре на 1 К приведет к увеличению объема на 1/273 от начального объема.

Именно по этому закону можно расчитать, на сколько процентов изменится объем газа внутри цилиндра при нагревании или, наоборот, охлаждении газа.

Температура в градусах Цельсия	Количество Кельвинов	Процентное изменение объема газа
100	373	36,5%
200	473	72,2%
300	573	109,9%

Таблица демонстрирует, как изменяется объем газа в зависимости от изменения температуры и применения закона Шарля.

Как происходит расширение в цилиндре?

Тепловое расширение

Когда цилиндр нагревается, его температура возрастает и межатомные расстояния в стенках цилиндра увеличиваются. Из-за этого происходит тепловое расширение, и цилиндр увеличивается в размерах.

Это явление особенно важно в автомобилях, где цилиндры используются для работы двигателя. Если цилиндр не расширяется соответствующим образом при нагревании, то могут возникнуть деформации и даже трещины в стенках цилиндра

Коэффициент теплового расширения

Чтобы вычислить, насколько увеличится размер цилиндра при определенной температуре, необходимо знать его коэффициент теплового расширения. Он зависит от материала, из которого изготовлен цилиндр.

Например, если цилиндр изготовлен из алюминия, то его коэффициент теплового расширения будет около 25×10^-6/°C. Это значит, что при повышении температуры на 100 градусов Цельсия длина цилиндра увеличится на 2,5 микрометра на каждый миллиметр длины цилиндра.

Учет расширения при проектировании

При проектировании механизмов, в которых используются цилиндры, необходимо учитывать их расширение при нагревании. Это делается путем увеличения зазоров между элементами механизма или использования специальных компенсаторов расширения.

Важно помнить, что учет теплового расширения является необходимым условием для безопасной и эффективной работы механизмов, в которых используются цилиндры

Во время расширения газа в цилиндре с поперечным сечением

)Во время расширения газа,вызванного его нагреванием в цилиндре с поперечным сечением 100см^2,газу было передано Q=0,75*10^5 Дж P=1,5*10^7 Дж на сколько изменилась U,если поршень передвинулся на 40см.?

Ответы и объяснения 1

газ совершил работу A=p*ΔV, где ΔV=S*h=100 cм^2*40 cм=4000 см^3=0,004 м^3=4*10^(-3) м^3

Из первого закона термодинамики Q=A+ΔU найдем ΔU=Q-A= 0,75*10^5 Дж — 6*10^4 Дж = 7,5*10^4 Дж — 6*10^4 Дж = 1,5 *10^4 Дж

Знаете ответ? Поделитесь им!

Как написать хороший ответ?

Чтобы добавить хороший ответ необходимо:

• Отвечать достоверно на те вопросы, на которые знаете правильный ответ;
• Писать подробно, чтобы ответ был исчерпывающий и не побуждал на дополнительные вопросы к нему;
• Писать без грамматических, орфографических и пунктуационных ошибок.

• Копировать ответы со сторонних ресурсов. Хорошо ценятся уникальные и личные объяснения;
• Отвечать не по сути: «Подумай сам(а)», «Легкотня», «Не знаю» и так далее;
• Использовать мат — это неуважительно по отношению к пользователям;
• Писать в ВЕРХНЕМ РЕГИСТРЕ.

Есть сомнения?

Не нашли подходящего ответа на вопрос или ответ отсутствует? Воспользуйтесь поиском по сайту, чтобы найти все ответы на похожие вопросы в разделе Физика.

Трудности с домашними заданиями? Не стесняйтесь попросить о помощи — смело задавайте вопросы!

Физика — область естествознания: естественная наука о простейших и вместе с тем наиболее общих законах природы, о материи, её структуре и движении.