background image

Zadania z termodynamiki (I i II zasada). 

 

Odcinek 3. 

 
3.  Dany jest odwracalny cykl termodynamiczny przedstawiony na rysunku, który wykonują 

2/R mole He (traktować jako gaz doskonały). Znane parametry stanu zamieszczone są 
w tabeli 1. Obliczyć pozostałe parametry stanu (uzupełnić tabelę 1) oraz obliczyć wartości 
w,  q,  ∆u,  ∆h i ∆s dla kolejnych przemian (A, B, C, D), czyli wypełnić tabelę 2. Cykl 
przedstawić (narysować) w układzie P=f(V). 

 
 
 
Rozwiązanie: 
 
Najlepiej rozpocząć od ustalenia, jakiego rodza-
ju przemianami są A, B, C  i D, co powinno po-
móc w naszkicowaniu cyklu w układzie współ-
rzędnych P=f(V). Przemiany A (1

2) i C (3

4) 

to niewątpliwie izotermy, zatem uzupełniamy 
tabelę 1 o T

2

 i T

4

.  Dla przemian B (2

3) i D 

(4

1) widzimy, że: V

2

/V

3

 = T

2

/T

3

 i V

4

/V

1

 = T

4

/T

1

 

(obie leżą na prostej T = k·V, przechodzącej 

przez 0), a zatem są to izobary (przecież jeśli pamiętamy, że P

2

V

2

=nRT

2

 i P

3

V

3

=nRT

3

, to po 

podzieleniu stronami i przegrupowaniu wyjdzie nam, że P

2

/P

3

 = 1, a to samo jest oczywiście 

prawdziwe dla P

4

 i P

1

). 

 
Możemy uzupełniać kolejne pozycje tabelki 1.  Rozpoczniemy od obliczenia P

1

 = P

4

 = 

nRT

1

/V

1

 = 2/R·R·380/0,01 = 75000 Pa oraz P

2

 = P

3

 = nRT

2

/V

2

 = 2/R·R·375/0,02 = 37500 Pa.  

Brakujące objętości: V

3

 = V

2

·T

3

/T

2

 = 0,02·250/375 = 1,33·10

–2

 m

3

; V

4

 = V

1

·T

4

/T

1

 = 

0,01·250/375) = 6,67·10

–3

 m

3

.  Znamy więc wszystkie parametry gazu we wszystkich czterech 

stanach. 
 
Możemy przystąpić do obliczania zmian funkcji termodynamicznych. 
 
Przemiana A: 
∆u

A

 = 0 i ∆h

A

 = 0, ponieważ ∆T

A

 = 0 

Przemiana jest odwracalna, zatem: w

A

 = nRT

A

ln(V

1

/V

2

) = 2·375·ln0,5 = –519,86 J 

Z I zasady termodynamiki wynika, że: q

A

 = –w

A

 = 519,86 J. 

Stan 

P [Pa] 

T [K] 

V [m

3

1  375 0,01 
2    0,02 
3  250  
4      

 

Przemiana

q w ∆u 

∆h 

∆s 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cykl 

 

 

 

 

 

background image

Pozostaje obliczenie ∆s. 
Z definicji entropii:  ds = dq/T = (du – dw)/T = (du – PdV)/T 
Ponieważ dwa dowolne stany na płaszczyźnie P-V (w poniższym wyprowadzeniu indeksy 2, A 
i B mają inne znaczenia niż w całym zadaniu) zawsze można połączyć jedną izochorą i jedną 
izotermą (od T

p

V

p

P

p

 do T

k

V

p

P

2

 drogą A i od T

k

V

p

P

2

 do T

k

V

k

P

k

 drogą B) dla 1 mola gazu do-

skonałego: 

 
Zaś dla dowolnej liczby moli: 
 
 
Zatem, wracając do zadania, dla przemiany A (izotermy): 
∆s

A

 = nRln(V

2

/V

1

) = 2·ln2 = 2·0,69315 = 1,3863 J/K 

Przemiana B: 
∆u

B

 = nC

v

∆T

B

 = 2/R·3/2·R(T

3

 – T

2

) = 3(250 – 375) = –375 J 

∆h

B

 = nC

p

∆T

B

 = 2/R·5/2·R(T

3

 – T

2

) = 5(250 – 375) = –625 J 

w

B

 = –P

B

(V

3

 – V

2

) = –37500·(4/3·10

–2

 – 6/3·10

–2

) = –37500(–2/3·10

–2

) = 250 J 

q

B

 = ∆u

B

 – w

B

 = –375 – 250 = –625 J (to z I zasady) lub q

B

 = ∆h

B

 = –625 J (bo izobara) 

∆s

B

 = n[C

V

ln(T

3

/T

2

)+Rln(V

3

/V

2

)] = 2/R[3/2·Rln(250/375)+Rln(2/3)] = 2/R[5/2·Rln(2/3)] = 

5·ln(2/3) = 5·–0,405465 = –2,0273 J/K 
Przemiana C: 
∆u

C

 = 0 i ∆h

C

 = 0, ponieważ ∆T

C

 = 0 

w

C

 = nRT

C

ln(V

3

/V

4

) = 2·250·ln2 = 346,57 J 

q

C

 = –w

C

 = –346,57 J 

∆s

C

 = nRln(V

4

/V

3

) = 2·ln0,5 = 2·–0,69315 = –1,3863 J/K 

Przemiana D: 
∆u

D

 = nC

v

∆T

D

 = 2/R·3/2·R(T

1

 – T

4

) = 3(375 – 250) = 375 J 

∆h

D

 = nC

p

∆T

D

 = 2/R·5/2·R(T

1

 – T

4

) = 5(375 – 250) = 625 J 

w

D

 = –P

D

(V

1

 – V

4

) = –75000·(3/3·10

–2

 – 2/3·10

–2

) = –75000(1/3·10

–2

) = –250 J 

q

D

 = ∆u

D

 – w

D

 = 375 – (–250) = 625 J (to z I zasady) lub q

D

 = ∆h

D

 = 625 J (bo izobara) 

∆s

D

 = n[C

V

ln(T

1

/T

4

)+Rln(V

1

/V

4

)] = 2/R[3/2·Rln(375/250)+Rln(3/2)] = 2/R[5/2·Rln(3/2)] = 

5·ln(3/2) = 5·0,405465 = 2,0273 J/K 
Po wpisaniu wszystkich wyników w tabelę 2 i zsumowaniu dla cyklu widać, że I zasada jest 
spełniona także dla całego cyklu, a funkcje stanu, zgodnie z ich definicją, dla cyklu nie zmie-
niają się (ich zmiany są równe zeru). 

 

Stan 

P [Pa] 

T [K] 

V [m

3

75000 

375 0,01 

37500 

375 

0,02 

37500 

250 

0,0133 

75000 

250 0,00667 

 

Przemiana

q [J] 

W [J] 

∆u [J] 

∆h [J] 

∆s [J/K] 

A 519,86 

–519,86 

0  0 1,3863 

B –625 

250 

–375 

–625 

–2,0273 

C –346,57

346,57 0  0 –1,3863 

D 625 

–250 

375 

625 

2,0273 

Cykl 173,29 

–173,29 0 

 

p

k

V

V

p

k

V

T

T

V

B

V

A

V

AB

V

p

k

V

V

R

T

T

C

dV

V

R

dT

T

C

dV

V

R

dT

T

C

dV

V

R

dT

T

C

dV

V

R

dT

T

C

S

S

S

k

p

k

p

ln

ln

+

=

+

=

+

+

+

=

+

=

=



+

=

=

=

p

k

p

k

V

p

k

V

V

R

T

T

C

n

S

n

s

s

s

ln

ln

background image

Ostatecznie przeniesienie wykresu cyklu do układu współrzędnych P=f(V) wygląda następu-
jąco: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

© W.Chrzanowski 2005