Obieg kołowy albo cykl.

Jeżeli układ po zajściu w nim szeregu zjawisk, podczas których stan jego ulega zmianom wróci do stanu początkowego, to mówimy, że dokonał obiegu kołowego. A więc, gdy np. pewna masa gazu jest zgęszczana, ogrzewana, rozprężana itp. i na końcu tych przemian powróci do tej samej objętości, ciśnienia i temperatury, to powiemy, że dokonał on obiegu kołowego. Obieg kołowy może być odwracalny, jeżeli składa się z samych przebiegów odwracalnych. W przeciwnym razie jest nieodwracalny.

Silnik termodynamiczny, albo cieplny.

Takim silnikiem nazywamy układ, który dzięki zjawiskom w nim zachodzącym może zamienić ciepło na pracę w nieograniczonej ilości. Jest to możliwe dzięki temu, że w układzie ciało nazywane ciałem czynnym periodycznie (okresowo) rozpręża się i kurczy pobierając ciepło, wydając pracę i periodycznie wracając do stanu początkowego, czyli dokonując obiegów kołowych.

Silnik Carnota.

Silnik Carnota składa się z cylindra o ścianach adiabatycznych, zamkniętego szczelnie ruchomym tłokiem, poruszającym się bez tarcia, w którym znajduje się jako ciało czynne gaz idealny. Dno cylindra jest zrobione z materiału doskonale przepuszczającego ciepło. Dalszymi ważnymi jego częściami są: zbiornik ciepła o nieograniczonym zapasie ciepła, posiadającym dużą temperaturę T₁, zwany grzejnicą; drugi zbiornik ciepła o nieograniczonej pojemności ciepła, posiadającym dużą temperaturę T₂ (T₂<T₁), zwany chłodnicą. Wreszcie płyta adiabatyczna P. Oba zbiorniki ciepła są tak wielkie, że przy czerpaniu z nich, czy też oddawaniu im ciepła, temperatura ich nie zmienia się.

Cykl Carnota.

Od V₁ do V₂ - przemiana izotermiczna

Od V₂ do V₃ - przemiana adiabatyczna

Od V₃ do V₄ - przemiana izotermiczna

Od V₄ do V₁ - przemiana adiabatyczna

Obieg kołowy, który wykonuje silnik Carnota składa się z czterech części:

1. Rozprężenie izotermiczne.

Przystawiamy cylinder, w którym znajduje się gaz do grzejnicy. Gdy gaz przybierze temperaturę T₁, pozwalamy mu się rozprężyć izotermicznie od pierwotnej objętości V₁ do V₂. Jak wiadomo, podczas rozprężenia izotermicznego gaz wydaje pracę W₁ równoważną pobranemu ciepłu Q₁.

Ponieważ V₂>V₁ praca jest ujemna, czyli wydana; a ciepło Q₁ dodatnie, czyli pobrane.

2. Rozprężenie adiabatyczne.

Przystawiamy dno cylindra do płyty adiabatycznej P, poczym gaz dalej rozpręża się tak długo, dopóki jego temperatura nie spadnie do T₂. Będzie on miał wtedy objętość V₃.

Ponieważ T₂<T₁ praca jest wydana kosztem energii wewnętrznej gazu.

3. Zgęszczenie izotermiczne.

Przystawiamy cylinder do chłodnicy i sprężamy gaz izotermicznie od objętości V₃ do V₄ (V₄ musi leżeć na adiabacie przechodzącej przez punkty V₁, p₁).

Ponieważ V3>V4 praca będzie pobierana i zamieniana w całości na ciepło Q₂ w ilości równoważnej, oddane chłodnicy.

4. Zgęszczenie adiabatyczne.

Przystawiamy cylinder dnem do płyty adiabatycznej i zgęszczamy gaz, dopóki jego temperatura nie podwyższy się do T₁. Jednocześnie gaz wróci do pierwotnej objętości V₁ i będzie miał takie same ciśnienie p₁, jak na początku. Wykona zatem obieg kołowy.

Sam gaz będzie teraz identyczny ze stanem na początku i obieg może być powtórzony.

Ponieważ ilość pracy równa się polu figury ograniczonej przez izotermę i adiabatę, oś odciętych oraz dwie rzędne odpowiadające początkowej i końcowej objętości gazu, widać z rysunku, że ilość pracy wydana podczas dwóch pierwszych części cyklu jest większa od ilości pracy pobranej podczas dwóch ostatnich części.

W bilansie otrzymujemy:

W - praca [J]

Q - ciepło

m - masa [kg, g]

II zasada termodynamiki.

Ciepło można zamienić na pracę wtedy i tylko wtedy, gdy między silnikiem a chłodnicą istnieje duża różnica temperatur.

Sprawność silnika.

Sprawność wyraża się stosunkiem pracy wykonanej przez silnik do energii dostarczonej silnikowi.

Zamiast energii możemy we wzorach wykorzystać temperaturę bezwzględną.

T₁ - temperatura bezwzględna silnika

T₂ - temperatura bezwzględna chłodnicy

Q - energia

W - praca [J]

Termodynamika

Termodynamika

6

3

---