background image

Wykład 2

                              

Przemiany termodynamiczne

Przemiany odwracalne:                   Przemiany nieodwracalne:
1. izobaryczna  p = const                      7. dławienie
2. izotermiczna  T = const                   8. mieszanie
3. izochoryczna  V = const                   9. tarcie
4. adiabatyczna  

 = const                  10. wymiana ciepła

5. izentropowa  S = const
6. politropowa  m = const

Badając stan równowagi czynnika podlegającego przemianom zakłada się,
że w całej jego masie jest jednakowa temperatura, ciśnienie i gęstość,
a inne parametry takie jak U – energia wewnętrzna, I – entalpia oraz 
S – entropia są stabilne. Odwracalność przemian polega na możliwości  
powrotu do początkowych parametrów stanu gazu ze zwróceniem lub
pobraniem energii cieplnej.

Przemiana izobaryczna (p = const)

a) równanie przemiany:   

2

1

2

1

T

T

 

 

V

V

b) praca zewnętrzna: dL=p dV       L = p (V

– V

1

) = MR (T

2

 – T

1

)

c) praca techniczna: dL

t

=-Vdp        L

t

 = V (p

1

 – p

2

) = 0

d) ciepło doprowadzone w czasie przemiany: dQ=dI=Mc

p

dT    Q=Mc

p

(T

2

-T

1

)

e) sprawność termiczna: 

    

1

-

c

c

-

c

 

 

)

T

-

(T

Mc

)

T

-

MR(T

 

 

ciepla

  

nego

doprowadzo

 

ilość

praca

 

 

 

p

v

p

1

2

p

1

2

 

Dla gazu jednoatomowego 

=1,67, czyli =0,41, dla dwuatomowego

=1,4, czyli =0,286

f) przyrost entropii podczas przemiany: S

2

-S

1

 = M

1

2

p

T

T

ln

c

Przemiana izochoryczna (V = const)

a) równanie przemiany: 

2

1

2

1

T

T

p

p

b) praca zewnętrzna: L=0, bo dV=0
c) praca techniczna: L

t

 = V(p

1

-p

2

)

d) ciepło doprowadzone w czasie przemiany: dQ=dU=Mc

v

dT     Q=Mc

v

(T

2

-T

1

)

e) przyrost entropii: S

2

-S

1

=Mc

v

ln

1

2

T

T

10

background image

Przemiana izotermiczna (T = const)

a) równanie przemiany: p

1

V

1

 = p

2

V

2

b) praca zewnętrzna: L=p

1

V

1

ln

1

2

V

V

=p

1

V

1

ln

2

1

p

p

c) praca techniczna: L

t

=MRT

1

ln

2

p

p

1

= L

d) ciepło doprowadzane: Q=p

1

V

ln

1

2

V

V

= -p

1

V

ln

1

2

p

p

= p

1

V

1

 ln

2

1

p

p

= L

e) przyrost entropii: S

2

-S

1

=MR ln

1

2

V

V

 = MR ln

2

1

p

p

Przemiana adiabatyczna (dQ = 0)

charakteryzuje się brakiem wymiany ciepła pomiędzy czynnikiem a źródłami
zewnętrznymi, przy czym zarówno dQ=0 i Q=0. Ponieważ dQ=0 przy T>0,
czyli dS=0, a więc S=const. Przemiana adiabatyczna odwracalna jest przemianą,
podczas której entropia jest stała, czyli jest to 

przemiana izentropowa 

(S = const)

W odróżnieniu od niej stosujemy określenie 

przemiana adiabatyczna

 dla

takiej, przy której wykładnik izentropy 

v

p

c

c

 

 

=const. Podczas takiej przemiany

brak jest wymiany ciepła z otoczeniem, a wytworzone ciepło tarcia powoduje
podwyższenie energii wewnętrznej czynnika. 
a) równania przemiany: pV

=const, TV

-1

=const,  T 

-

1

p

= const, 

b) praca zewnętrzna podczas przemiany adiabatycznej 











1

2

1

-1

2

1

1

-1

1

2

1

2

1

v

2

1

T

T

-

1

1

MRT

V

V

-

1

1

MRT

p

p

-

1

1

MRT

 

)

T

-

(T

Mc

U

-

U

 

 

L

c) praca techniczna podczas przemiany adiabatycznej
              L

t

 = I

1

-I

2

 = Mc

p

(T

1

-T

2

) =M

c

v

(T

1

-T

2

) =

L

7. Przemiana politropowa 

W tej przemianie istnieje wymiana ciepła dQ=McdT, przy czym średnie ciepło

właściwe „c” dla danej politropy jest stałe i równe: c = c

+ p 

1

-

m

-

m

c

 

 

dt

dV

v

Wykładnik politropy m, stały dla danej rodziny przemian, może być dowolną
liczbą rzeczywistą wiekszą lub mniejszą od 

. Podczas przemiany politropowej

wykładnik m jest stały.

11

background image

a) równania przemiany: pV

m

=const,  TV

m-1

=const,  T 

m

m

-

1

p

= const, 

b) praca zewnętrzna podczas przemiany politropowej 











1

2

1

-1

m

2

1

1

m

-1

m

1

2

1

T

T

-

1

1

m

MRT

V

V

-

1

1

m

MRT

p

p

-

1

1

m

MRT

 

 

L

c) praca techniczna podczas przemiany adiabatycznej
                     L

t

 = I

1

-I

2

 =mL

d) ciepło doprowadzone: Q = Mc(T

2

-T

1

)

e) przyrost entropii: S

2

-S

1

=Mc ln

1

2

T

T

Zależność pomiędzy parametrami stanów 1 i 2 przemiany politropowej

                                      

-1

m

m

1

2

m

2

1

1

2

T

T

 

 

V

V

 

 

p

p









                                               

Jeżeli 1<m<

 to c<0, co jest równoznaczne z tym, że energia wewnętrzna

układu maleje przy wykonywaniu pracy większej od ilości ciepła
doprowadzanego. Wykładnik politropy można wyznaczyć analitycznie
przy pomocy wzoru:

                                            

2

1

1

2

V

V

lg

p

p

lg

 

 

m

                                                    

Typowe przemiany politropowe:

Wykładnik
 politropy

  Ciepło 
właściwe

  Równanie
   przemiany

              Przemiany

        0
        1
        

        

     c

p

     

      0
     c

v

   p = const
  pV=RT=const
  pV

 = const

    V = const

 izobaryczne substancji dowolnych
 izotermiczne gazów doskonałych
 izentropowe gazów doskonałych
 izochoryczne substancji dowolnych

Dławienie:

adiabatyczne rozprężanie płynu w układzie przepływowym bez odprowadzania
na zewnątrz układu pracy technicznej. Może być spowodowane gwałtownym
przewężeniem kanału, jak np. zawór, zwężka pomiarowa (niequasistatyczna)
lub porowatą przegrodą (może być quasistatyczna). Szczegóły związane z tym
procesem zostaną przedstawione podczas omawiania działu 

Przepływy ściśliwe.

12

background image

Mieszanie:  

chodzi tu głównie o mieszanie dwóch strumieni gazów wilgotnych w
szczególności powietrza (mieszanie izobaryczno-adiabatyczne), które zostanie
omówione w dziale 

Gazy wilgotne.

Tarcie:

ze zjawiskiem tarcia mamy najczęściej do czynienia przy przepływie
rzeczywistego płynu z dużymi prędkościami. Bliżej zostanie ono wyjaśnione
przy omawianiu zagadnień związanych z przepływami przez dysze.

Wymiana ciepła:

Wszystkie aspekty związane z tym tematem zostaną omówione w odrębnym
dziale związanym z wymianą ciepła (przewodzenie, przenikanie, przejmowanie,
promieniowanie)

                              

Obiegi  termodynamiczne

Obiegiem (lub cyklem) termodynamicznym nazywamy zespół

kolejnych przemian, po wykonaniu których stan rozpatrywanego
układu powraca do stanu początkowego. Geometrycznie obieg jest
przedstawiony w postaci linii zamkniętej. 
Obieg jest odwracalny, jeżeli składa się składa wyłącznie z przemian
odwracalnych. Nieodwracalność chociaż jednej przemiany czyni
obieg nieodwracalnym.
Praca obiegu jest równa ciepłu obiegu:   L

ob

=Q

ob

 

Praca i ciepło obiegu są przedstawiane na wykresach p-V i T-S
polem ograniczonym przemianami tworzącymi obieg. Dla obiegu
silnika zgodnego z ruchem wskazówek zegara na wykresach 
o współrzędnych p-V i T-S praca obiegu jest dodatnia. Dla obiegu
urządzenia chłodniczego lub obiegu pompy ciepła, przeciwnego do
ruchu wskazówek zegara praca obiegu jest ujemna.

Parametry obiegów:

a) ciepło obiegu Q

ob

 obejmuje ciepło wynikłe z wymiany ciepła Q

zob

    oraz zawsze dodatnie ciepło tarcia Q

wob

                                   Q

ob

 = Q

zob

 + Q

wob

13

background image

b) ciepło obiegu spowodowane wymianą ciepła Q

zob

 jest równe  

     różnicy między ciepłem Q

1

 doprowadzonym do obiegu a 

     bezwzględną wartością ciepła Q

2

 odprowadzonego z obiegu

                                  Q

zob

 = Q

1

 – |Q

2

|

c) praca obiegu składa się z zewnętrznej pracy obiegu L

zob

 oraz pracy

    na pokonanie oporów tarcia obiegu L

wob

                                      L

ob

 = L

zob

 + L

wob

d) praca zewnętrzna obiegu równa jest ciepłu wynikłemu z wymiany
     ciepła:                  
                                   L

zob

 = Q

zob

 = Q

1

 - |Q

2

|

e) praca na pokonanie oporów tarcia jest równa ciepłu tarcia obiegu

                                  L

wob

 = Q

wob

 > 0

f) sprawność cieplna obiegu silnika jest to stosunek pracy zewnętrznej
    obiegu do ciepła doprowadzonego do obiegu

                      

1

2

1

2

1

zob

t

q

q

 

1

 

 

Q

Q

 

-

1

 

 

Q

L

 

 

                                           

(14)

gdzie: q

2 , 

q

1

 – gęstości strumienia cieplnego

g) wydajność obiegu chłodniczego jest to stosunek ciepła  
    odprowadzanego od źródła ciepła o niższej temperaturze do 
    bezwzględnej wartości pracy zewnętrznej obiegu

                              

1

2

1

1

2

1

zob

1

p

q

-

q

q

 

Q

-

Q

Q

 

 

L

Q

 

 

                             

(15)

14

background image

h) wydajność obiegu pompy jest to stosunek ciepła doprowadzanego 
    do źródła ciepła o wyższej temperaturze do bezwzględnej wartości
    pracy zewnętrznej obiegu

                        

1

2

2

1

2

2

zob

2

p

q

-

q

q

 

Q

-

Q

Q

 

 

L

Q

 

 

                                    

(16)

Podstawowe obiegi termodynamiczne:

1. Obieg Carnota 
Obieg Carnota składa się z dwóch izoterm i dwóch adiabat.                 

Rys. 4. Obieg Carnota przedstawiony na wykresach p-V i T-S 

Praca obiegu: L

ob

 = Q

– |Q

2

|

Sprawność obiegu: 

1

2

1

2

1

Q

Q

-

1

Q

Q

 

-

Q

 

 

η

Ponieważ dla adiabaty dQ = T dS, to Q

1

 = T

2

(S

3

-S

2

) oraz 

|Q

2

| = T

1

(S

– S

1

). Ponieważ S

3

 = S

4

 i S

1

 = S

2

, to

ostatecznie:   

2

1

T

T

-

1

  

η

. W obiegu Carnota o sprawności decydują

temperatury źródeł ciepła. Sprawnośc silnika Carnota jest tym wyższa
im przy wyższej temperaturze ciepło jest doprowadzane, a przy
niższej odprowadzane. Sprawność cieplna nieodwracalnego obiegu
silnika jest mniejsza od sprawności obiegu silnika Carnota między
źródłami ciepła o tych samych temperaturach. Przykładowo, gdy
temperatury źródeł wynoszą: górnego T

1

=60

o

C a dolnego T

2

=-60

o

C,

to 

= 1- 213/333 = 0,36

15

background image

2. Obieg Joule’a 

Obieg silnika powietrznego, turbiny gazowej, silnika

odrzutowego. Składa się z dwóch adiabat i dwóch izobar.

Rys. 5. Obieg Joule’a przedstawiony na wykresach p-V i T-S

ciepło dostarczone do obiegu: Q

1

 = Mc

p

(T

– T

2

),

ciepło odprowadzone: |Q

2

| = Mc

p

(T

4

 – T

1

),

praca wykonana przez obieg: 
L =Q

1

 - |Q

2

|=Mc

p

(T

– T

2

) - Mc

p

(T

4

 – T

1

),

sprawność obiegu: 

2

3

1

4

1

2

1

zob

T

-

T

T

-

T

 

-

 

1

 

 

Q

Q

 

-

 

1

 

 

Q

L

 

 

Wprowadzając pojecie sprężu 

 = 









3

4

2

1

4

3

1

2

V

V

V

V

p

p

 

p

p

oraz stopnia sprężania  

 = 

2

V

V

1

, przy czym 

 = 

 

po prostych przekształceniach można otrzymać wzór na sprawność

termiczną obiegu Joule’a w postaci: 

t

 = 

-1

 

 

-1

 

3

4

1

-

1

1

 

1

T

T

 -

 

1

Odwrotnością obiegu Joule’a jest obieg sprężarki tłokowej,
który będzie omówiony w późniejszym terminie.

16

background image

3. Obieg Otto 

Stosowany jest przy porównywaniu silników tłokowych

spalinowych wolnobieżnych gaźnikowych z zapłonem iskrowym.
Składa się z dwóch izochor i dwóch adiabat.

Rys. 6. Obieg Otto przedstawiony na wykresach p-V i T-S

ciepło doprowadzone do obiegu:  Q

= Mc

v

(T

3

-T

2

),

ciepło odprowadzone: |Q

2

| = Mc

v

(T

4

-T

1

),

praca obiegu: L = Q

1

 – |Q

2

|,

sprawność obiegu: 

= 

1

 

-1

1

2

1

 

-

 

1

 

 

1

 

-

 

1

 

 

Q

Q

 -

 

1

   bo  

-1

 

1

2

-1

2

1

1

2

p

p

V

V

T

T









17

background image

4. Obieg Diesel’a 

Służy do porównywania wolnobieżnych silników

wysokoprężnych z zapłonem samoczynnym. Składa się z dwóch
adiabat, izobary i izochory

   
Rys. 7. Obieg Diesel’a przedstawiony na wykresach p-V i T-S

Ciepło doprowadzone w obiegu: Q

1

 = Mc

p

(T

3

 – T

2

),

ciepło odprowadzone z obiegu: |Q

2

| = Mc

v

(T

4

 – T

1

),

praca obiegu: L = Q

1

 – |Q

2

| = Mc

p

(T

3

 – T

2

) – Mc

v

(T

4

 – T

1

),

sprawność obiegu: 

                 

-1

2

3

p

1

4

v

1

1

-

1

-

1

-

1

T

-

T

Mc

)

T

-

(T

Mc

-

1

 

 

gdzie: 

2

1

V

V

 

 

 - stopień sprężania

           

2

3

V

V

-  stopień obciążenia

           

1

2

p

p

 -  spręż   przy czym  

 = 

  

           oraz  

 = 

v

p

c

c

 - wykładnik adiabaty

18

background image

5. Obieg mieszany Sabathe

Stosowany do analizy pracy szybkobieżnych silników z

zapłonem samoczynnym. Składa się z dwóch adiabat sprężania i
rozprężania, izobary i izochory, przy których dostarczane jest ciepło
oraz izochory z odprowadzeniem ciepła.

Rys. 8. Obieg Sabathe’a przedstawiony na wykresach p-V i T-S

Ciepło doprowadzone podczas obiegu: 

               Q

1

 = Q

23

 + Q

34

 = Mc

v

(T

3

-T

2

)+Mc

p

(T

4

-T

3

),

ciepło odprowadzone:  |Q

2

| = Q

51

 = Mc

v

(T

5

-T

1

)

praca obiegu: L = Q

1

–|Q

2

| = Mc

v

(T

3

 – T

2

)+Mc

p

(T

4

-T

3

) – Mc

v

(T

5

 – T

1

),

sprawność :

1

-

1

-

1

-

1

-

1

T

T

c

T

T

c

T

T

c

-

T

T

c

T

T

c

 

 

k

-1

3

4

p

2

3

v

1

5

v

3

4

p

2

3

v



gdzie: 

2

3

p

p

 

 

 - stopień izochorycznego wzrostu ciśnienia

          

3

4

V

V

 

 

 - stopień obciążenia

Jeżeli  

=1, to obieg Diesel’a  (p

= p

2

).

Jeżeli  

=1, to obieg Otto  (V

4

 = V

3

)

19

background image

6. Obieg  Humphreya 

Stosowany w turbinach gazowych i silnikach odrzutowych

pulsacyjnych. Składa się z dwóch adiabat (sprężania i rozprężania),
izochory podczas której dostarczane jest ciepło i izobary, przy której
odprowadzane jest ciepło.

Rys. 9. Obieg Humphreya przedstawiony na wykresach p-V i T-S

Ciepło doprowadzone: Q

1

 = Mc

v

(T

- T

2

),

ciepło odprowadzone: |Q

2

| = Mc

p

(T

4

 – T

1

),

praca obiegu: L = Q

1

 – |Q

2

|= Mc

v

(T

3

 – T

2

) – Mc

p

(T

4

 – T

1

),

sprawność obiegu:

                

2

3

1

4

T

-

T

T

-

T

 

1

 

 

 

       lub    

1

1

 

1

 

 

20