Przemiana izobaryczna − proces termodynamiczny, podczas którego ciśnienie układu nie ulega zmianie, natomiast pozostałe parametry termodynamiczne czynnika mogą się zmieniać. Procesy izobaryczne mogą zachodzić zarówno w sposób odwracalny, jak i nieodwracalny. Odwracalny proces izobaryczny przedstawia na wykresie krzywa zwana izobarą. Praca wykonana przez układ (lub nad układem) w odwracalnym procesie izobarycznym jest równa ubytkowi (lub przyrostowi) entalpii układu. W szczególności, gdy jedyny wkład do pracy stanowi praca objętościowa (polegająca na zmianie objętości układu), jest ona wyrażona wzorem:

gdzie

W – praca wykonana przez układ,

p – ciśnienie,

ΔV – wzrost objętości układu.

Dla gazu doskonałego przemiana izobaryczna spełnia zależność

V – objętość,

T – temperatura.

Przemiana izobaryczna często pojawia się w teorii maszyn cieplnych oraz urządzeń energetycznych. Jest jedną z przemian tworzących obiegi porównawcze siłowni parowej (obieg Clausiusa-Rankine'a), turbiny gazowej (obieg Braytona-Joule'a), chłodziarki gazowej (obieg Joule'a) i parowej (obieg Lindego), silnika wysokoprężnego (obieg Seiligera-Sabathé).

Przemiana izobaryczna jest przemianą porównawczą przedstawiającą proces wytwarzania i przegrzewania pary wodnej w kotłach parowych oraz jej skraplania w skraplaczach współczesnych elektrowni parowych. W urządzeniach tych ma miejsce konwersja energii o mocy na poziomie kilkudziesięciu tysięcy megawatów (tylko w Polsce), co świadczy o wysokim znaczeniu przemiany izobarycznej w technice współczesnego świata.

Na poniższych rysunkach przedstawione są przemiany izobaryczne wody i pary wodnej w układzie h-s (entalpia właściwa - entropia właściwa) i T-s (temperatura - entropia właściwa) na tle linii nasycenia i stałego stopnia suchości pary.

Wykres p(V) przemiany izobarycznej.
1-2 izobaryczne rozprężanie
1-3 izobaryczne sprężanie
Pola zaznaczone na szaro oznaczają pracę wykonaną przez gaz przy rozprężaniu lub sprężaniu.

Przemiana izochoryczna – proces termodynamiczny zachodzący przy stałej objętości (V = const). Oprócz objętości wszystkie pozostałe parametry termodynamiczne mogą się zmieniać.

Podczas przemiany izochorycznej nie jest wykonywana praca, układ może wymieniać energię z otoczeniem tylko w wyniku cieplnego przepływu energii. Z pierwszej zasady termodynamiki wynika, że całe ciepło doprowadzone lub odprowadzone z gazu w procesie izochorycznym jest zużywane na powiększenie lub pomniejszenie jego energii wewnętrznej: δQ = dU.

Przekształcając wzór na ciepło właściwe otrzymujemy:

gdzie m jest masą gazu.

W przypadku gazu doskonałego wzór ten jest słuszny dla dowolnego procesu, natomiast dla gazu rzeczywistego wzór ten jest słuszny tylko w zakresie niewielkich zmian temperatur. Przy większych zmianach ciepło właściwe c_V gazu rzeczywistego nie może być traktowane jako stała.

Zmianę energii wewnętrznej można obliczyć w następujący sposób:

gdzie:

• c_V – ciepło właściwe w procesie izochorycznym.

Proces izochoryczny można praktycznie zrealizować podczas ogrzewania lub oziębiania gazu w zbiorniku o stałej objętości, czyli wykonanego z materiału o zerowej rozszerzalności cieplnej.

Wykres p(V) przemiany izochorycznej.
1-2 izochoryczne ogrzewanie
1-3 izochoryczne oziębianie

Przemiana izotermiczna - w termodynamice przemiana, zachodząca przy określonej, stałej temperaturze. Krzywa opisująca przemianę izotermiczną nazywana jest izotermą.

Dla gazu doskonałego, energia wewnętrzna jest funkcją temperatury. Dlatego w przemianie izotermicznej, ponieważ ΔT = 0, zachodzi zależność:

co wyrażane jest też prawidłowością:

lub

lub

gdzie:

• p_i i V_i - ciśnienie i objętość początkowa,

• p_f i V_f - ciśnienie i objętość końcowa,

• p i V - zmienne opisujące zachowanie się gazu podczas przemiany izotermicznej. Powyższa zależność między ciśnieniem i objętością dla gazu doskonałego stanowi treść prawa Boyle'a-Mariotte'a.

Izoterma gazu doskonałego jest hiperbolą na wykresie p-V (ciśnienie-objętość) (T = constant).

Z pierwszej zasady termodynamiki wynika, że całe ciepło doprowadzone do gazu doskonałego w procesie izotermicznym jest zużywane na wykonanie pracy przeciwko siłom zewnętrznym.

Żółty obszar odpowiada wykonanej pracy.

Załóżmy, że mamy gaz w zbiorniku, zamknięty ruchomym tłokiem o polu powierzchni S. Dla bardzo małego przesunięcia tłoka dx praca dW może być zapisana wzorem:

Praca jaką wykonuje gaz rozszerzając się od objętości V_A do V_B wyraża wzór:

w procesie izotermicznym

Proces izotermiczny jest jedną z przemian w cyklu Carnota.

gdzie:

• W - praca wykonana przez gaz

• Q - ciepło doprowadzone

• p - ciśnienie

• V - objętość

• n - liczba moli gazu

• R - uniwersalna stała gazowa

• W - praca

• 

• 

• Cykl Carnota w układzie temperatura-entropia. Poziome linie to izotermy, pionowe to adiabaty odwracalne.

Przemiana politropowa – proces termodynamiczny w gazie doskonałym, dla którego jest spełnione równanie politropy, tzn. taki, podczas którego jest spełniony następujący związek:

gdzie:

p – ciśnienie

V – objętość

n – wykładnik (współczynnik) politropy, stały dla danego procesu politropowego, ale przyjmujący dla różnych procesów politropowych różne wartości, od minus do plus nieskończoności.

Wykładnik politropy jest równy:

Gdzie:

C_p – pojemność cieplna określona w warunkach stałego ciśnienia

C_v – pojemność cieplna określona w warunkach stałej objętości

C – pojemność cieplna w danej przemianie

Dla przemian politropowych zachodzą wspólne zależności.

Szczególnymi przypadkami procesu politropowego są odwracalne procesy:

• izobaryczny (n = 0, C = C_p),

• izotermiczny (n = 1, C nieokreślone),

• adiabatyczny (n = C_p / C_V, C = 0),

• izochoryczny (n nieskończone, C = C_V).

Przemiana izentropowa lub izoentropowa – proces termodynamiczny zachodzący przy stałej entropii właściwej. Odgrywa ona w technice stosunkowo dużą rolę, ponieważ może być jednocześnie adiabatą odwracalną (beztarciową, idealną). Izentropa może być także przemianą rzeczywistą, w której od czynnika odbierane jest ciepło równe ciepłu wewnętrznemu przemiany (ciepłu powstającemu wewnątrz czynnika w wyniku tarcia wewnętrznego). W rzeczywistości przemiana izentropowa jest praktycznie niespotykana, jednak w teorii maszyn cieplnych odgrywa istotną rolę. Jako adiabata odwracalna przewija się szczególnie w teorii sprężarek przepływowych i turbin cieplnych.

Pierwsza zasada termodynamiki – jedno z podstawowych praw termodynamiki, jest sformułowaniem zasady zachowania energii dla układów termodynamicznych. Zasada stanowi podsumowanie równoważności ciepła i pracy oraz stałości energii układu izolowanego^[1].

Dla układu zamkniętego (nie wymienia masy z otoczeniem, może wymieniać energię) zasadę można sformułować w postaci:

Zmiana energii wewnętrznej układu zamkniętego jest równa energii, która przepływa przez jego granice na sposób ciepła lub pracy^[2].

gdzie:

ΔU – zmiana energii wewnętrznej układu,

Q – energia przekazana do układu jako ciepło,

W – praca wykonana na układzie.

W powyższym sformułowaniu przyjmuje się konwencję, że gdy:

• W > 0 – do układu przepływa energia na sposób pracy,

• W < 0 – układ traci energię na sposób pracy,

• Q > 0 – do układu przepływa energia na sposób ciepła,

• Q < 0 – układ traci energię na sposób ciepła.

W przypadku układu termodynamicznie izolowanego układ nie wymienia energii z otoczeniem na sposób pracy (W = 0), ani na sposób ciepła (Q = 0), wówczas:

Tło historyczne[edytuj]

Niezależne od siebie rozważania i obserwacje Juliusa Mayera (1842) oraz eksperymenty Jamesa Joule'a (1843) doprowadziły do sformułowania I zasady termodynamiki w obecnej postaci. Wcześniej ciepło było traktowane jako zupełnie odrębna wielkość fizyczna. Uznanie ciepła jako innego niż praca sposobu zmiany energii doprowadziło w naturalny sposób do włączenia ciepła, jako formy przekazywania energii, do zasady zachowania energii.

Energia wewnętrzna jako funkcja stanu[edytuj]

Pierwsza zasada termodynamiki pozwala na zdefiniowanie energii wewnętrznej jako funkcji stanu:

Dla wszystkich procesów prowadzących od pewnego określonego stanu do drugiego zmiana ΔU ma zawsze tę samą wartość, choć ilości dostarczanego ciepła i pracy wykonanej przez układ są na ogół różne dla różnych procesów.

Często wygodniej jest skupić się na rozpatrywanym układzie; energii wewnętrznej (U), energii cieplnej dopływającej do układu (Q) i pracy wykonanej przez układ (W). W warunkach nieskończenie małych przyrostów pierwsza zasada termodynamiki jest wyrażona następująco:

gdzie δQ i δW są różniczkami niezupełnymi, tj. zależnymi od drogi; dU zaś jest różniczką zupełną, tj. niezależną od sposobu przebiegu procesu.

Alternatywne sformułowanie[edytuj]

Wprowadzając pojęcie perpetuum mobile, czyli maszyny wykonującej dowolnie długo pracę bez pobierania energii z zewnątrz, można sformułować pierwszą zasadę termodynamiki w następujący sposób:

Nie istnieje perpetuum mobile pierwszego rodzaju^[3].

Praca w termodynamice[edytuj]

W termodynamice klasycznej praca równa jest energii jaką układ termodynamiczny wymienia z otoczeniem przy zmianie swoich parametrów makroskopowych (objętość, położenie, natężenie pola, itp) jeżeli w otoczeniu wywołuje pracę rozumianą jako wielkość makroskopową, np. przesunięcie tłoka, przepływ prądu elektrycznego. Zmiana energii wewnętrznej układu nie powodująca wykonania pracy makroskopowej jest ciepłem (cieplnym przepływem energii)^[2][4].

Przepływ energii będący pracą nie zmienia entropii układu, natomiast zmienia ją przepływ energii będący ciepłem. Skoro zmiana energii układu może wynikać zarówno z pracy, jak i z cieplnego przepływu energii, to ilość pracy nie jest jednoznacznie określona stanem początkowym i końcowym układu, lecz zależy od sposobu (drogi) przeprowadzenia procesu, dlatego praca jest funkcją procesu^[4].

Z punktu widzenia termodynamiki statystycznej zmiana energii układu jest wynikiem oddziaływań cząstek biorących udział w danym procesie. Jeżeli ruchy cząstek wywołujące przepływ energii są uporządkowane, to z makroskopowego punktu widzenia, zmianę energii uznaje się pracę. Gdy natomiast są to ruchy nieuporządkowane, to związaną z nimi zmianę energii uznaje się za ciepło (cieplny przepływ energii)^[4].

Praca objętościowa[edytuj]

Praca w układzie termodynamicznym może się wiązać ze zmianą objętości układu, wówczas zwana jest pracą objętościową. Jeśli wykonaniu pracy nie towarzyszy zmiana objętości układu, mówimy o pracy nieobjętościowej. Przykładem pracy nieobjętościowej może być praca związana z przemieszczaniem ładunków w polu elektrycznym ogniwa paliwowego oraz ruch plazmy w polu magnetycznym w generatorze magnetohydrodynamicznym.

Zmiana objętości ciała znajdującego się pod działaniem sił zewnętrznych działających na jego powierzchnię lub umowną granicę, wiąże się z wykonaniem pracy objętościowej. Pracę wykonaną przy niewielkiej zmianie objętości ciała, nie wywołującej istotnej zmiany ciśnienia określają wzory:

gdzie:

W – praca wykonana na układzie, (δW – różniczka niezupełna),

p – ciśnienie zewnętrzne,

V – objętość układu.

Pojęcie pracy objętościowej jest używane także w hydrodynamice, termodynamice i wszystkich dziedzinach fizyki, w których rozpatruje się ciało znajdujące się pod wpływem zewnętrznego ciśnienia.

Zasadą określającą sposób wymiany energii z otoczeniem, w tym i przez pracę, jest pierwsza zasada termodynamiki.

Entropia – termodynamiczna funkcja stanu, określająca kierunek przebiegu procesów spontanicznych (samorzutnych) w odosobnionym układzie termodynamicznym. Entropia jest miarą stopnia nieuporządkowania układu^[1]. Jest wielkością ekstensywną^[2]. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, jeżeli układ termodynamiczny przechodzi od jednego stanu równowagi do drugiego, bez udziału czynników zewnętrznych (a więc spontanicznie), to jego entropia zawsze rośnie. Pojęcie entropii wprowadził niemiecki uczony Rudolf Clausius.

W termodynamice klasycznej[edytuj]

W ramach II zasady termodynamiki zmiana entropii (w procesach kwazistatycznych) jest zdefiniowana przez swoją różniczkę zupełną jako:

gdzie:

T – temperatura bezwzględna,

dQ – ciepło elementarne, czyli niewielka ilość ciepła dostarczona do układu (wyrażenie Pfaffa).

Entropię pewnego stanu termodynamicznego P można wyznaczyć ze wzoru:

gdzie

C — pojemność cieplna,

T_P — temperatura w stanie P.

Podstawowe równanie termodynamiki fenomenologicznej, w którym występuje entropia, ma postać

gdzie:

U – energia wewnętrzna,

k – liczba różnych składników,

T – temperatura

p – ciśnienie

μ_i – potencjał chemiczny i-tego składnika

Proces nieodwracalny – proces termodynamiczny, powodujący wzrost sumy entropii układu i otoczenia. Nazwa sugeruje, że proces odwrotny do danego procesu nieodwracalnego jest niemożliwy. W istocie, ze względu na statystyczny charakter zjawisk termodynamicznych, proces odwrotny jest możliwy, ale jego prawdopodobieństwo jest bliskie zeru.

W procesach nieodwracalnych, przyrost entropii układu termodynamicznego nieizolowanego jest większy, niż spowodowany tylko dopływem ciepła z otoczenia, co odpowiada wyrażeniu:

gdzie:

jest elementarną ilością ciepła wprowadzonego do układu (różniczka niezupełna),

T jest stałą temperaturą bezwzględną

Różnica

spowodowana jest niedoskonałością procesu w wyniku czego uwalniane zostaje dodatkowe wewnętrzne ciepło procesu powodujące dodatkowy wzrost entropii. W niektórych publikacjach wielkość ta nazywana jest "produkcją entropii".

Zmiana entropii układu spowodowana dopływem ciepła spoza tego układu jest równa co do wielkości i przeciwna co do znaku zmianie entropii otoczenia. Uwzględniając dodatkową "produkcję entropii" w procesie nieodwracalnym, suma entropii układu i otoczenia wzrasta w wyniku zajścia takiego procesu.

gdzie:

dS_u - przyrost entropii układu

dS_ot - przyrost entropii otoczenia

Przykładem takiego procesu jest np. swobodne rozprężanie gazu lub zmieszanie się dwóch cieczy.

Proces odwracalny – proces termodynamiczny, którego kierunek można odwrócić poprzez nieskończenie małą zmianę wartości jednej lub więcej zmiennych stanu termodynamicznego. Procesy odwracalne zachodzą przy niezmienionej sumie entropii układu i otoczenia.

Dla procesów odwracalnych, przyrost entropii układu termodynamicznego nieizolowanego spowodowany jest tylko dopływem ciepła z otoczenia i równy jest wyrażeniu:

gdzie:

δQ jest elementarną ilością ciepła wprowadzonego do układu (różniczka niezupełna),

T jest stałą temperaturą bezwzględną

W procesach odwracalnych, zmiana entropii układu spowodowana jest tylko dopływem ciepła spoza tego układu, a zatem równa co do wielkości i przeciwna co do znaku zmianie entropii otoczenia. Suma entropii układu i otoczenia pozostaje bez zmiany.

dS_u + dS_ot = 0

gdzie:

dS_u - przyrost entropii układu

dS_ot - przyrost entropii otoczenia

Egzergia – maksymalna praca, jaką układ termodynamicznie otwarty może wykonać w danym otoczeniu przechodząc do stanu równowagi z otoczeniem. Otoczenie traktuje się jako zbiornik nieużytecznej energii i materii o stałej temperaturze. Maksymalną energię uzyskuje się w procesie odwracalnym.

Termin wprowadzony w 1955 r. przez słoweńskiego fizyka Zorana Ranta; zdolność do wykonywania pracy - jest rodzajem energii, która może służyć jako zapas energii; cechuje ją ilość i jakość; ulega zniszczeniu, gdy jest wykorzystywana.

Entalpia (H) (zawartość ciepła) — w termodynamice wielkość fizyczna będąca funkcją stanu mająca wymiar energii, będąca też potencjałem termodynamicznym, oznaczana przez H, h,I lub χ, którą definiuje zależność:

gdzie:

• — entalpia układu

• — energia wewnętrzna układu

• — ciśnienie

• — objętość

Z powyższego wzoru wynika sens fizyczny entalpii. Entalpia jest równa sumie energii wewnętrznej, czyli energii jaka jest potrzebna do utworzenia układu gdy jest on tworzony w otoczeniu próżni oraz iloczynu pV, który jest równy pracy jaką należy wykonać nad otoczeniem by w danych warunkach uzyskać miejsce na układ^[1].

Wszystkie wielkości definiujące entalpię są funkcjami stanu, dlatego entalpia też jest funkcją stanu.

Nieskończenie małą zmianę entalpii określa wzór:

Dla procesów, zachodzących dla ciał stałych i cieczy pod niezbyt dużym ciśnieniem składniki pdV i Vdp są małe w porównaniu do dU i mogą być pominięte, wówczas zmiana entalpii jest równa zmianie energii wewnętrznej:

Entalpia

Entalpia (H) (zawartość ciepła) — w termodynamice wielkość fizyczna będąca funkcją stanu mająca wymiar energii, będąca też potencjałem termodynamicznym, oznaczana przez H, h,I lub χ, którą definiuje zależność:

gdzie:

• — entalpia układu

• — energia wewnętrzna układu

• — ciśnienie

• — objętość

Z powyższego wzoru wynika sens fizyczny entalpii. Entalpia jest równa sumie energii wewnętrznej, czyli energii jaka jest potrzebna do utworzenia układu gdy jest on tworzony w otoczeniu próżni oraz iloczynu pV, który jest równy pracy jaką należy wykonać nad otoczeniem by w danych warunkach uzyskać miejsce na układ^[1].

Wszystkie wielkości definiujące entalpię są funkcjami stanu, dlatego entalpia też jest funkcją stanu.

Nieskończenie małą zmianę entalpii określa wzór:

Dla procesów, zachodzących dla ciał stałych i cieczy pod niezbyt dużym ciśnieniem składniki pdV i Vdp są małe w porównaniu do dU i mogą być pominięte, wówczas zmiana entalpii jest równa zmianie energii wewnętrznej:

Gaz doskonały – zwany gazem idealnym jest to abstrakcyjny, matematyczny model gazu, spełniający następujące warunki:

1. brak oddziaływań międzycząsteczkowych z wyjątkiem odpychania w momencie zderzeń cząsteczek

2. objętość cząsteczek jest znikoma w stosunku do objętości gazu

3. zderzenia cząsteczek są doskonale sprężyste

4. cząsteczki znajdują się w ciągłym chaotycznym ruchu

Założenia te wyjaśniły podstawowe właściwości gazów. Po odkryciu własności cząstek w mechanice kwantowej, zastosowano te założenia też do cząstek kwantowych. Powyższe założenia prowadzą do następujących modeli:

1. Klasyczny gaz doskonały,

2. Gaz Fermiego, będący zastosowaniem modelu do fermionów, np. elektronów w metalu

3. Gaz bozonów, będący zastosowaniem modelu do bozonów, np. fotonów.

Klasyczny gaz doskonały

Gaz taki w mechanice klasycznej opisuje równanie Clapeyrona (równanie stanu gazu doskonałego), przedstawiające zależność między ciśnieniem gazu p, jego objętością V, temperaturą T i licznością n wyrażoną w molach:

 gdzie  R jest stałą gazową

lub

 gdzie  k jest stałą Boltzmanna.

Gaz doskonały to model, słuszny w pełni jedynie dla bardzo rozrzedzonych gazów. W rzeczywistych gazach wzrost ciśnienia powoduje, że zmniejszają się odległości między cząsteczkami oraz powoduje pojawianie się oddziaływań międzycząsteczkowych. Oddziaływania te odgrywają coraz większą rolę gdy maleje temperatura gazu zbliżając się do temperatury skraplania. W bardzo wysokich temperaturach zderzenia przestają być sprężyste. Model ten może być jednak stosowany w praktyce do niemalże wszystkich gazów w zbliżonych do warunkach normalnych. Dla gazów rzeczywistych przy dużych gęstościach i ciśnieniach niezbędne jest stosowanie równań uwzględniających te efekty (zob. równanie Van der Waalsa i wirialne równanie stanu).

Termodynamiczne funkcje stanu[edytuj]

Wzory określające niektóre termodynamiczne funkcje stanu dla gazu doskonałego:

• Entropia - wzór Sackura-Tetrode

• energia wewnętrzna

Inne związki dla gazu doskonałego[edytuj]

• zależność między pojemnościami cieplnymi

• wartość pojemności cieplnej przy stałej objętości

gdzie:

k – stała Boltzmanna,

N – liczba cząstek w gazie.

1. Gaz doskonały, gaz półdoskonały, gaz rzeczywisty, definicje różnic.

Gaz doskonały jest to hipotetyczny gaz, którego drobiny nie przyciągają się wzajemnie, są nieskończenie małe, i sztywne (tzn. nie występują drgania).

Gaz półdoskonały różni się od doskonałego tym, że w jego drobinach występują drgania. Atomy wchodzące w skład drobiny są więc ze sobą powiązane sprężyście.

Gazy rzeczywiste zachowują się jak półdoskonałe pod dostatecznie niskim ciśnieniem.

Gaz półdoskonały = gaz rzeczywisty przy p ~0.

Gaz doskonały = gaz półdoskonały bez oscylacji.

Cykl Carnota - obieg termodynamiczny, złożony z dwóch przemian izotermicznych i dwóch przemian adiabatycznych. Cykl Carnota jest obiegiem odwracalnym. Do realizacji cyklu potrzebny jest czynnik termodynamiczny, który może wykonywać pracę i nad którym można wykonać pracę, np. gaz w naczyniu z tłokiem, a także dwa nieograniczone źródła ciepła, jedno jako źródło ciepła (o temperaturze T₁) - górne źródło ciepła obiegu, a drugie jako chłodnica (o temperaturze T₂) - dolne źródło ciepła obiegu.

Przebieg cyklu[edytuj]

Cykl na wykresie ciśnienie - objętość

Silnik cieplny jako układ energetyczny.

Cykl składa się z następujących procesów:

1. Sprężanie izotermiczne – czynnik roboczy styka się z chłodnicą, ma temperaturę chłodnicy i zostaje poddany procesowi sprężania w tej temperaturze (T₂). Czynnik roboczy oddaje ciepło do chłodnicy.

2. Sprężanie adiabatyczne – czynnik roboczy nie wymienia ciepła z otoczeniem, jest poddawany sprężaniu, aż uzyska temperaturę źródła ciepła (T₁).

3. Rozprężanie izotermiczne – czynnik roboczy styka się ze źródłem ciepła, ma jego temperaturę i poddawany jest rozprężaniu izotermicznemu w temperaturze T₁, podczas tego cyklu ciepło jest pobierane ze źródła ciepła.

4. Rozprężanie adiabatyczne – czynnik roboczy nie wymienia ciepła z otoczeniem i jest rozprężany, aż czynnik roboczy uzyska temperaturę chłodnicy (T₂).

Wnioski[edytuj]

W wyniku tych czterech procesów czynnik roboczy powraca do punktu wyjścia, dlatego mówimy, że cykl jest zamknięty (zgodnie z definicją obiegu).

Podczas procesów sprężania siła zewnętrzna wykonuje pracę nad układem termodynamicznym, a podczas rozprężania układ wykonuje pracę. Ilość pracy wykonanej przez układ jest większa (gdy T₁ > T₂) od pracy wykonanej nad układem. Podczas cyklu ciepło jest pobierane ze źródła ciepła, część tego ciepła jest oddawana do chłodnicy, a część zamieniana na pracę.

Sprawność cyklu[edytuj]

Dla układu tego definiuje się sprawność jako stosunek pracy wykonanej do ilości ciepła pobranego ze źródła ciepła.

Wzór powyższy wyprowadzony przez Carnota określa, że sprawność cyklu nie zależy od czynnika roboczego, ani sposobu realizacji, a zależy tylko od temperatur źródła ciepła i chłodnicy.

Warto zwrócić uwagę na to, że sprawność silnika pracującego w temperaturach T₁=373 K (temperatura wrzenia wody) i T₂=300K (temp. pokojowa) wynosi około 20%.

Carnot udowodnił też, że dowolny odwracalny cykl zamknięty w którym podczas pobierania ciepła układ ma temperaturę mniejszą od T_max a podczas oddawania ciepła większą od T_min ma sprawność mniejszą od cyklu Carnota opartego o temperatury T_max i T_min. Dlatego często sprawność silników termodynamicznych określa się w odniesieniu do cyklu Carnota zwanego silnikiem idealnym.

Cykl Carnota jest odwracalny i może przebiegać w odwrotnym kierunku (zamienione sprężanie z rozprężaniem) wówczas układ przekazuje energię cieplną od ciała o niższej temperaturze do ciała o wyższej temperaturze. Układ taki nazywany jest pompą ciepła (lub cieplną) i pracuje on kosztem wykonywania pracy nad nim. Sprawność cyklu Carnota określa też parametry idealnej pompy cieplnej działającej przy zadanych temperaturach. Rzeczywiste pompy cieplne mają sprawność mniejszą od cyklu Carnota.

Silnik cieplny - urządzenie (maszyna cieplna), które zamienia energię termiczną (cieplną) w energię mechaniczną (praca)^{[1][2][3][4][5]} lub elektryczną^[6].

Idealizacją silnika cieplnego jest silnik pracujący wg cyklu Carnota. Silnik taki ma największą teoretyczną sprawność dla danych temperatur źródeł ciepła górnego i dolnego. Sprawność rzeczywistych silników jest także zależna od temperatury dolnego i górnego źródła ciepła ale mniejsza od sprawności cyklu Carnota. Stosunek sprawności silnika do sprawności obiegu Carnota to sprawność egzergetyczna.

Silniki cieplne dzielą się na silniki:

• o spalaniu wewnętrznym

• o spalaniu zewnętrznym

Inny podział ze względu na sposób generowania mocy:

• silnik objętościowy (tłokowy)

• silnik przepływowy (turbinowy).

Najczęściej spotykanymi w technice silnikami cieplnymi są silniki tłokowe, służące powszechnie do napędu samochodów. Nieco rzadsze zastosowanie ma silnik turbinowy, będący podstawowym źródłem mocy mechanicznej w transporcie lotniczym. Sprawność[edytuj]

Sprawność silnika odnosi się do ilości pracy użytecznej jaką możemy uzyskać z określonej ilości dostarczonego ciepła.

Z praw termodynamiki mamy:

gdzie

dW = − PdV jest pracą odbieraną od silnika. (Jest to wielkość ujemna, kiedy praca jest wykonana przez silnik)

dQ_h = T_hdS_h jest ciepłem pobranym z górnego źródła ciepła, stąd ( − dQ_h) jest dodatnie.

dQ_c = T_cdS_c jest ciepłem oddanym do chłodnicy. (Jest to wielkość dodatnia jeśli ciepło jest przekazywane do chłodnicy)

Innymi słowy, silnik cieplny pobiera ciepło ze zbiornika ciepła o wysokiej temperaturze, przekształca jego część w użyteczną pracę, a resztę oddaje do chłodnicy.

Ogólnie, sprawność danego procesu przepływu ciepła (niezależnie, czy będzie to chłodziarka, pompa ciepła lub silnik) jest definiowana nieformalnie jako "to co otrzymujesz" do tego "co dostarczasz".

W przypadku silnika, kiedy otrzymujemy pracę mechaniczną, a dostarczamy ciepło

Teoretyczne maksimum sprawności danego silnika cieplnego zależy tylko od temperatur, pomiędzy którymi on pracuje. Sprawność ta jest zwykle obliczana dla idealnego silnika Carnota, jednakże silniki pracujące według innych cykli osiągają także określoną dla danego cyklu maksymalną sprawność zależną od temperatur źródła ciepła i chłodnicy. Maksymalna sprawność danego cyklu osiąga przy odwracalnych przemianach termodynamicznych, kiedy zmiana entropii chłodnicy ma przeciwny znak do zmiany entropii źródła ciepła (tj., dS_c = − dS_h), a łączna entropia układu nie zmienia się. W takim przypadku:

gdzie T_h jest temperaturą bezwzględną źródła ciepła; T_c temperaturą bezwzględną chłodnicy. dS_c jest dodatnie, kiedy dS_h jest ujemne; w każdym odwracalnym procesie wykonywania pracy entropia cyklu nie wzrasta, ale wysoka entropia źródła ciepła maleje, a rośnie entropia otoczenia (chłodnicy) gdzie oddawane jest ciepło.

Spalanie całkowite ma miejsce, gdy cała masa spalanej substancji ulegnie utlenieniu. Występuje ono wtedy, gdy nie tylko nie ma dymu czy palnych substancji w popiele, ale i nie ulatnia się część paliwa w postaci pary. Spalanie całkowite zachodzi w wyniku reakcji tlenu z substancją, gdy ilość tlenu jest nie mniejsza niż wynikająca ze stechiometrii.

Przykładowa reakcja spalania całkowitego etenu:

C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂O

Półspalanie - proces spalania węgla lub związków organicznych w warunkach niedoboru tlenu, z wytworzeniem tlenku węgla (II) i wody.

Przykładowa reakcja półspalania metanu:

2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O

Spalanie niecałkowite ma miejsce, gdy niecała masa spalanej substancji ulegnie utlenieniu. Występuje ono wtedy, gdy część substancji spalanej nie utleni się, lecz pozostanie w postaci sadzy, dymu, czy popiołu. Zdarza się to przy niedostatecznym dostępie tlenu do spalanej substancji. Alkiny w powietrzu spalają się zawsze niecałkowicie np. etyn:

2C₂H₂ + O₂ → 4C + 2H₂O

Spalanie zupełne to spalanie, którego produktem jest najtrwalszy z możliwych do uzyskania w danej reakcji związek chemiczny.

Np.: C + O₂ → CO₂

O tym czy spalanie będzie zupełne czy niezupełne decyduje m.in. współczynnik nadmiaru powietrza.