Temat: Druga zasada termodynamiki.

1. Przemiany i obiegi termodynamiczne odwracalne i nieodwracalne.

Przemiany - są to zmiany parametrów stanu, czyli podczas wymiany ciepła między czynnikiem termodynamicznym znajdującym się w układzie a otoczeniem stan tego czynnika ulega zmianom. Przejawem tego są zmiany parametrów stanu - ciśnienia, objętości i temperatury.

1. przemiana odwracalna - zjawiska, w których układ wraca do pierwotnego stanu, przechodząc w obu kierunkach przez identyczne stany pośrednie i nie powodując po drodze zmian w otoczeniu, np. ruch wahadła matematycznego bez oporu powietrza, ruch planet wokół Słońca. Procesy odwracalne praktycznie nie występują w przyrodzie.

2. przemiana nieodwracalna - procesy zachodzące zawsze w jednym kierunku, niedające się odwrócić, np. przepływ ciepła z ciała cieplejszego do chłodniejszego, zjawisko dyfuzji.

Obiegiem - nazywamy szereg następujących po sobie przemian, podczas których ciepło jest doprowadzane i odprowadzane oraz praca jest wykonywana i oddawana, a ich wartości są tak dobrane, że ostatecznie czynnik wraca do stanu wyjściowego.

Obrazem obiegu w układzie pracy (p-v) lub w układzie (T-s) jest linia zamknięta.

2. Silniki odwracalne i nieodwracalne.

Silnik cieplny - to układ fizyczny (urządzenie), które w pewnych warunkach może w sposób ciągły zmieniać część ciepła na pracę. Czynnikiem termodynamicznym jest gaz lub para, która podlega obiegowi. W wyniku przemian sprężania i rozprężania czynnik wykonuje pracę. Podczas tych przemian czynnik czerpie ciepło ze źródła górnego (komora spalania, grzejnica)vi następnie część ciepła oddaje do źródła dolnego (skraplacz, chłodnica, atmosfera).

1. silnik odwracalny - obieg jest odwracalny, gdzie może się odbywać zarówno w przód (zmieniając ciepło w pracę), jak i wstecz (zmieniając wykonaną pracę na ciepło i zwracając je do źródła).

2. silnik nieodwracalny - to silniki które nie spełniają powyższych warunków.

Silniki cieplne rzeczywiste - wskutek istnienia przemian nieodwracalnych, spowodowanych tarciem oraz stratami ciepła (pewna ilość ciepła przenika przez ścianki cylindra), ilość energii oddanej na zewnątrz cylindra jest mniejsza od ilości doprowadzonego ciepła. Dlatego mówimy o sprawności urządzenia.

Sprawność silnika to stosunek ilości ciepła zamienionego na pracę do ilości ciepła pobranego ze źródła górnego.

Q₁ - całkowita ilość ciepła pobranego ze źródła górnego,

Q₂ - ciepło oddane do źródła dolnego,

Największą sprawność miałby silnik odwracalny. Ponieważ silniki rzeczywiste są silnikami nieodwracalnymi, więc ich sprawność jest mniejsza niż sprawność silnika odwracalnego.

3. Obieg Carnota.

Silnik Carnota - idealny silnik cieplny o maksymalnej możliwej sprawności. Silnik Carnota nie istnieje w praktyce, wyznacza jednak pewien fizyczny, wzorcowy model, do którego mogą dążyć konstruktorzy realnych silników. Cykl silnika Carnota w układzie p-V został przedstawiony za pomocą wykresu:

1. rys. a)

obieg Carnota jest odwracalny gdyż składa się wyłącznie z przemian odwracalnych. Są to cztery przemiany: dwie izotermiczne 1-2 i 3-4 oraz dwie adiabatyczne 2-3 i 4-1. Podczas przemiany izotermicznej 1-2 czynnik pobiera ciepło ze źródła o temperaturze wyższej, a podczas przemiany 3-4 oddaje ciepło do źródła o temperaturze niższej.

2. rys. b)

pole 1-2-s₂-s₁-1 przedstawia ciepło Q₁ doprowadzone do czynnika podczas obiegu,

pole 3-4-s₁-s₂-3 przedstawia ciepło Q₂ odprowadzone do czynnika podczas obiegu,

Różnica tych pól, tj. pole 1-2-3-4-1 przedstawia ciepło Q zamienione w obiegu na pracę.

Cykl składa się z 4 procesów:

1-2 - rozprężanie izotermiczne (układ pobiera ciepło Q₁ i wykonuje pracę W₁),
2-3 - rozprężanie adiabatyczne (układ wykonuje pracę W₂ kosztem energii wewnętrznej),
3-4 - sprężanie izotermiczne (praca W₁ jest wykonywana nad układem, a układ oddaje ciepło Q₂),
4-1 - sprężanie adiabatyczne (praca W₂ jest wykonywana nad układem, a energia wewnętrzna rośnie).

Sprawność idealnego silnika cieplnego η wyraża się wzorem:

gdzie: T₁ - temperatura grzejnicy (źródła ciepła), T₂ - temperatura chłodnicy.

Zastosowanie źródła zimniejszego o temperaturze niższej od temperatury otoczenia jest w praktyce niemożliwe. Drugi sposób podwyższenia sprawności, polegający na podwyższeniu temperatury źródła cieplejszego, jest bardziej realny. Ale istnieje ograniczenie w postaci odporności materiałów konstrukcyjnych na działanie wysokiej temperatury.

4. Druga zasada termodynamiki.

„W układzie termodynamicznie izolowanym istnieje funkcja stanu zwana entropią S, której zmiana ∆S w procesie adiabatycznym spełnia nierówność ∆S≥0, przy czym równość zachodzi wtedy, gdy proces jest odwracalny”.

Entropia S jest funkcją stanu będącą miarą liczby sposobów W, na które może być realizowany określony stan termodynamiczny danego układu w określonej temperaturze T.

Formuły II zasady termodynamiki:

1. wg Clausiusa - niemożliwy jest proces, którego jedynym skutkiem byłoby pobranie ciepła z ciała chłodniejszego i przekazanie go ciału cieplejszemu,

2. wg Kelvina - niemożliwy jest proces, którego jedynym skutkiem byłoby pobranie pewnej ilości ciepła ze zbiornika i zamiana go w równoważną ilość pracy.

Z drugiej zasady termodynamiki wynika więc, że nie można zbudować silnika, który pracowałby tylko z jednym źródłem ciepła. Silnik tego rodzaju, tzn. taki, który całkowicie zamieniałby doprowadzone ciepło na pracę mechaniczną, a więc działający sprzecznie z drugą zasadą termodynamiki, nosi nazwę perpetuum mobile drugiego rodzaju.

5. Linki:

http://pl.wikipedia.org/wiki/Druga_zasada_termodynamiki

http://sciaga.onet.pl/12581,60,166,105,1,20149,sciaga.html

http://www.fizykon.org/termodynamika/cykl_carnota.htm

http://efizyka.net.pl/zasady-termodynamiki_273

http://www.youtube.com/watch?v=diklvX2prM4

http://portalwiedzy.onet.pl/74928,,,,termodynamiki_zasady,haslo.html

---