Билет 6
Закон сохранения энергии, провозглашая неизменность ее количества, не указывает, какие именно энергетические превращения имеют при этом место. Все процессы в природе определенно направлены – протекают только в одном направлении. В обратном направлении они самопроизвольно не реализуемы. Необратимыми называются такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном направлении, в обратном направлении они могут проявлять себя лишь как одно из звеньев цепи более сложного процесса.
Второй закон термодинамики указывает на направление возможных энергетических преобразований: невозможно выполнить перевод теплоты от более холодного тела более горячему, не осуществив одновременно других изменений в обеих системах или в окружающей среде.
Двигатели, действие которых основано на превращении внутренней энергии рабочего тела в механическую энергию называют тепловыми. Внутреннюю энергию какого-либо тела (нагревателя) частично можно превратить в механическую энергию, но только в процессе теплообмена, когда тепло нагревателя передается другому телу с более низкой температурой (холодильнику).
Впервые этот вопрос был изучен фр.ученым С.Карно, который придумал идеальную тепловую машину. Для такой машины необходимо иметь нагреватель с высокой температурой, холодильник с более низкой температурой и рабочее тело. Рабочим телом у всех тепловых машин является газ, который совершает работу при расширении. Холодильником является либо атмосфера, либо специальное устройство для охлаждения, т.н. конденсатор.
Цикл Карно. Рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Qн, передает холодильнику количество теплоты Qх, а разность (Qн – Qх) превращается в работу A '. Рабочее тело при расширении не может отдать всю свою энергию на совершение работы. Значительная часть теплоты неизбежно передается холодильнику вместе с отработавшим газом. Эта часть внутренней энергии безвозвратно теряется. Рабочим телом в машине Карно является идеальный газ, который периодически повторяет один и тот же цикл изменения своего состояния. Он получил название цикла Карно, а подобные процессы называются круговыми или циклическими. Круговой процесс или цикл – процесс, в результате которого система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние (рис.1.2).
Если круговой процесс идет по часовой стрелке, то работа будет положительной, и цикл прямой. Если же круговой процесс идет против часовой стрелки, то работа – отрицательна, а цикл – обратный.
В машине Карно потери энергии на трение и теплообмен с окружающей средой не принимаются во внимание, поэтому эту машину принято называть идеальной тепловой машиной.
КПД теплового двигателя η называется отношение работы A ', совершенной рабочим телом в прямом круговом процессе, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:
Т.к. у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η <1.
КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя Tн и холодильника Tх.
КПД идеальной тепловой машины Карно имеет следующее значение:
Главное значение этой формулы заключается в том, что как доказал Карно, любая реальная тепловая машина не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.
2. Индуктивность и емкость переменного тока. Генераторы
Если включить проводник в цепь электрического тока с малой индуктивностью оного, то индукционные электрические поля оказываются пренебрежимо малыми и движение электрических зарядов в проводнике определяется действием электрического поля, напряженность которого в проводнике пропорциональна напряжению между концами проводника. При изменении напряжения по гармоническому закону:
напряженность электрического поля в проводнике изменяется по такому же закону. Под действием переменного электрического тока i, частота и фаза колебаний которого совпадают с частотой и фазой колебаний напряжения:
Колебания силы тока в цепи являются вынужденными колебаниями, возникающими под действием приложенного переменного напряжения.
При совпадении фаз колебаний силы тока и напряжения мгновенная мощность тока равна:
Среднее значение квадрата косинуса за период равно 0,5; поэтому средняя мощность равна:
Действующим значением силы тока I называется сила постоянного тока, выделяющего в проводнике за то же время такое же количество теплоты, что и переменный ток. При амплитуде Im гармонических колебаний силы тока действующее значение I силы тока равно:
Действующее значение переменного напряжения U в 
раз меньше его амплитудного значения Um:
Средняя мощность переменного тока 
или просто мощность переменного тока P при совпадении фаз колебаний силы тока и напряжения определяется через действующее значение силы тока I и напряжение U выражением:
Активным сопротивлением R называется величина определяемая отношением:
Отсюда средняя мощность на участке цепи переменного тока равна:
В любом проводнике, по которому протекает переменный ток, возникает ЭДС самоиндукции.
В проводнике с малым активным сопротивлением и большой индуктивностью L при изменении силы тока по гармоническому закону напряжение на концах проводника изменяется также по гармоническому закону и равно по модулю и противоположно по знаку ЭДС самоиндукции:
Т.о. колебания напряжения на катушке описывается уравнением:
где, 
– амплитуда колебаний. Следовательно, колебания напряжения на катушке опережают по фазе колебаний силы тока на π /2.
Амплитуда силы тока в катушке равна:
Произведение циклической частоты ω на индуктивность L называют индуктивным сопротивлением:
Заряд конденсатора в цепи переменного тока меняется по гармоническому закону:
Сила тока, представляющая собой производную заряда по времени равно:
Следовательно, гармонические колебания напряжения на обкладках конденсатора в цепи переменного тока отстают по фазе от колебаний силы тока на π /2.
Амплитуда силы тока равна:
Величина, обратная произведению циклической частоты ω на электроемкость C конденсатора, называется емкостным сопротивлением XC:
Преобразование (повышение или понижение) напряжения переменного тока осуществляются трансформаторами.
В машинных генераторах переменного тока магнитное поле обычно создается электромагнитом, питаемым постоянным током. Допустимая сила тока ограничивается нагреванием скользящих контактов щеток. Поэтому в генераторах переменного тока большой емкости электромагнит является ротором, т.е. вращающейся частью машины. При вращении ротора возникает переменная ЭДС индукции в обмотках, расположенных в неподвижной части генератора – в статоре. Для увеличения ЭДС индукции используется обмотка статора с большим числом витков. Для увеличения магнитного потока эту обмотку наматывают на стальной сердечник и зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим.
Если внутреннее сопротивление источника тока, т.е. сопротивление проводов обмотки статора, значительно меньше сопротивления внешней электрической цепи, то напряжение и на выходе генератора можно считать равным по абсолютному значению ЭДС индукции в n последовательно включенных витках обмотки:
