CYKLE TERMODYNAMICZNE

Dostarczenie energii w postaci pracy lub ciepła powoduje wzrost energii wewnętrznej ciał. Istnieje możliwość odwrotna, czyli zamiana części energii wewnętrznej na pracę ale proces ten wymaga spełnienia wielu warunków. Praca wykonywana jest przez gaz w przemianie izotermicznej i izobarycznej w przypadku gdy gaz poddany jest kilku przemianą, które doprowadzają go do punktu wyjściowego.

Przemiany te nazywamy cyklem lub obiegiem termodynamicznym . Cykl termodynamiczny jest podstawą działania silnika cieplnego.

Z zasady zachowania energii (1 zasada termodynamiki) wynika, że praca silnika jest równa różnicy dostarczonego i odebranego ciepła. Ciepło dostarczane jest z układu zwanego grzejnicą, a oddawane do układu zwanego chłodnicą.

W = W_od = Q₁ - Q₂

Q₁ - ciepło pobrane,

Q₂ - ciepło oddane,

Część dostarczanego ciepła Q₁ zamienia się w pracę W, a część ciepła Q₂ jest tracona.

Grzejnica T₁

W

Chłodnica T₂

Silnik

Rys. Schemat blokowy silnika cieplnego.

Sprawnością silnika nazywamy stosunek pracy wykonanej do dostarczonego ciepła i oznaczamy grecką literą η (eta)

η = W / Q₁ .

Sprawność w silnikach cieplnych wynosi od kilku procent dla maszyny parowej, do około 45% dla wysokoprężnego silnika spalinowego - Diesla.

S. Carnot ustalił, że na sprawność decydujący wpływ ma temperatura grzejnicy i chłodnicy. Najwyższą sprawność uzyskują silniki, których grzejnica ma bardzo wysoką temperaturę a chłodnica jak najniższą. Zaprojektował on model silnika nazywany od jego nazwiska silnikiem Carnota, którego sprawność obliczmy ze wzoru:

η = T₁ - T₂ / T₁ .

Cykl tego silnika składa się z dwóch przemian izotermicznych i dwóch adiabatycznych. Silnik ten nigdy nie został zbudowany, służy tylko do rozważań teoretycznych.

WIADOMOŚCI O SILNIKACH

Silnik cieplny pobiera ciepło Q₁ z grzejnicy a oddaje Q₂ do chłodnicy.

Na wykresie krzywa zamknięta nakreślona jest zgodnie z ruchem wskazówek zegara i oznacza przemiany zachodzące w silniku. Wielkość pola figury jest równa wartości pracy silnika wykonanej podczas jednego cyklu.

p

p_k

p₀

0

V₀ V_k V

Sprawność silnika jest zawsze mniejsza niż 100% gdyż ciepło musi być częściowo oddawane do chłodnicy.

Sprawność modelowego silnika Carnota zależy tylko od temperatury grzejnicy i chłodnicy.

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Perpetuum mobile pierwszego rodzaju - jest to model urządzenia naruszającego pierwszą zasadę termodynamiki, czyli pomysł silnika który dostarcza więcej pracy niż pobiera ciepła. Dla silników tych obowiązuje ograniczenie: Gdy istnieją źródła ciepła dostarczające energię to możliwe jest otrzymanie pracy w ilości mniejszej od energii pobranej w postaci ciepła.

Q = 0

W

Silnik

Rys. Schemat blokowy perpetuum mobile

pierwszego rodzaju

Perpetuum mobile drugiego rodzaju - jest to model silnika, który zamienia całe pobrane ciepło na pracę.

Druga zasada termodynamiki:

1. sformułowanie Kelvina - niemożliwe jest zbudowanie silnika cieplnego, który zamieniałby stale ciepło na pracę, korzystając tylko z jednego źródła ciepła o różnych temperaturach;

2. sformułowanie Clausiusa - ciepło nie może samorzutnie przepływać z ciała zimniejszego do cieplejszego;

3. inne sformułowanie - niemożliwe jest zbudowanie perpetuum mobile drugiego rodzaju.

Druga zasada termodynamiki ma charakter powszechny i nie dotyczy tylko silników cieplnych. W zjawiskach zachodzących w przyrodzie występują przykłady podlegania tych zjawisk zasadom termodynamiki. Występujące w przyrodzie różnice temperatur powodują powstawanie wiatrów. Zjawiska zachodzące na Ziemi istnieją dzięki energii słonecznej; Słońce jest dla Ziemi grzejnicą a Wszechświat chłodnicą. Druga zasada termodynamiki spełniona jest również dla Słońca - energia Słońca nie ginie lecz rozprasza się we Wszechświecie i już stamtąd nigdy nie powraca w tej samej ilości.

ENTROPIA

Miarą nieuporządkowania jest entropia. Im większe nieuporządkowanie cząsteczek tym większa entropia. Procesy zachodzą samorzutnie tylko wtedy gdy entropia układu wzrasta.

Podręcznik strona 109 - 115

Przeanalizować działanie turbiny parowej oraz silnika spalinowego.

Analiza zadania przykładowego 5.9

---