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.

Q 1 – całkowita ilość ciepła pobranego ze źródła górnego,

Q 2 – 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:

a) 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.

b) 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 Q 1 i wykonuje pracę W 1),

2-3 – rozprężanie adiabatyczne (układ wykonuje pracę W 2 kosztem energii wewnętrznej),

3-4 – sprężanie izotermiczne (praca W 1 jest wykonywana nad układem, a układ oddaje ciepło Q 2),

4-1 – sprężanie adiabatyczne (praca W 2 jest wykonywana nad układem, a energia wewnętrzna rośnie).

Sprawność idealnego silnika cieplnego η wyraża się wzorem:

gdzie: T 1 – temperatura grzejnicy (źródła ciepła), T 2 – 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