• PRZEMIANA ADIABATYCZNA (zmiana stanu fizycznego gazu)

· PRZEMIANA ADIABATYCZNA (zmiana stanu fizycznego gazu)
W przypadku przemiany adiabatycznej zmianę ciśnienia gazu powoduje nie tylko zmiana
objętości, ale również zmiana jego temperatury. Więc przy takim samym zmniejszaniu
(zwiększaniu) objętości gazu, jego ciśnienie w przemianie adiabatycznej wzrasta (maleje)
bardziej niż w przemianie izotermicznej, spowodowane jest, bowiem dodatkowo zmianą
temperatury gazu w tej przemianie.
W urządzeniach, w których wykorzystywana jest adiabatyczna przemiana gazu, stosuje się
możliwie najlepszą izolację cieplną.
Przy słabej izolacji naczynia z gazem możemy również przeprowadzić przemianę
adiabtyczną, jeśli tylko zmiany objętości dokonamy na tyle szybko, aby w czasie przemiany
nie zdążyła zajść wymiana ciepła z otoczeniem.
W takiej przemianie Q = 0 , wiec zmiana energii wewnętrznej gazu musi być równa pracy
wykonanej nad gazem przez siły zewnętrzne:
DU = W
Podsumowując przemiana adiabatyczna to proces termodynamiczny, podczas którego układ
nie oddaje i nie pobiera ciepła. Proces adiabatyczny realizuje się bądź przez izolowanie
cieplne układu, bądź przeprowadzając go bardzo szybko (np. rozprężanie gazów w silniku o
wewnętrznym spalaniu). Jeśli w procesie adiabatycznym układ wykonuje pracę, to odbywa
się to kosztem energii wewnętrznej układu, zatem temperatura jego obniża się
(wykorzystywane do otrzymywania niskich temperatur).
Przemianą adiabatyczną nazywamy przemianę zachodzącą bez wymiany ciepła z otoczeniem
(dQ=0). Stosując I zasadę termodynamiki do 1 mola gazu doskonałego w przypadku
przemiany adiabatycznej można napisać:
CvdT=-pdV
gdzie: Cv-ciepło molowe, dT- przyrost temperatury, dV- przyrost objętości
Korzystając z równania Clapeyrona, równanie to sprowadzamy do postaci:
CvdT=-RT:V* dV
zaś po podzieleniu przez CvT otrzymujemy:
dT:T=-R:Cv* dV:V
lub jeśli wyrazimy T za pomocą p. i V:
pV=const.
Równania powyższe noszą nazwę równań Poissona dla procesu adiabatycznego. Z równań
tych wynika, że podczas tej przemiany zmieniają się wszystkie trzy parametry stanu: p, V i T.
· CYKL CARNOTA
Francuski inżynier Sadi Carnot jako pierwszy opracował teoretyczne podstawy silnika
cieplnego pracującego na zasadzie procesu cyklicznego. Proces ten został nazwany cyklem
Carnota. Składa się on z dwóch przemian izotermicznych i adiabatycznych.
Cykl Carnota to uproszczony, zamknięty cykl przemian termodynamicznych
wyidealizowanego, odwracalnego, quasi-statycznego silnika cieplnego. Składa się z dwóch
izoterm i dwóch adiabat.
Silnik działający zgodnie z cyklem (izoterm i dwóch adiabat) Carnota składałby się ze ścianek
cylindra i tłoka wykonanych z doskonałego izolatora ciepła i zamkniętego dnem cylindra,
będącego idealnym przewodnikiem ciepła. Dno kontaktowałoby się kolejno - z izolatorem
ciepła (podczas sprężania adiabatycznego), zbiornikiem ciepła o wyższej temperaturze
(rozprężanie izotermiczne), izolatorem ciepła (rozprężanie adiabatyczne) i zbiornikiem ciepła
o niskiej temperaturze-chłodnicy (sprężanie izotermiczne).
W = Q1 – Q2
Wypadkowa praca w cyklu zamkniętym jest równa różnicy ciepła pobranego ze źródła o
temperaturze wyższej i ciepła oddanego chłodnicy o temperaturze niższej. Innymi słowy, w
tym zamkniętym cyklu substancja robocza transportuje energię wewnętrzną ze źródła do
chłodnicy, część tej energii wewnętrznej zmienia na pracę mechaniczną.
Przemiany w cyklu Carnota zachodzące w odwrotnym kierunku zamieniają silnik w maszynę
chłodniczą lub tzw. pompę cieplną.
· SPRAWNOŚĆ SILNIKA CIEPLNEGO
SILNIK CIEPLNY, urządzenie do przetwarzania energii cieplnej na energię mechaniczną,
silnik cieplny pobiera ciepło ze źródła o temperaturze wyższej (ciepło spalania paliwa w
silniku spalinowym lub w turbinie), przetwarza jego część na pracę mech., a resztę oddaje w
chłodnicy; proces odbywa się z udziałem czynnika termodynamicznego (np. spalin, pary
wodnej); praca silnika cieplnego przebiega zgodnie z zasadami termodynamiki; do silników
cieplnych należą m.in. silniki tłokowe parowe i spalinowe oraz turbiny cieplne.
Silniki cieplne mają za zadanie przekształcić energię wewnętrzną w energię mechaniczną.
Najczęściej ciepło pochodzące ze spalania paliwa jest dostarczane do gazu roboczego, który
rozprężając się wykonuje pracę wprawiając w ruch jakiś mechanizm. Rozprężanie gazu nie
może się odbywać nieograniczenie, ponieważ silnik ma skończone rozmiary. Dlatego gaz
musi być z powrotem sprężony, tak, aby wszystkie części silnika wróciły do stanu
wyjściowego. Po czym cykl przemian powtarza się i za każdym razem silnik wykonuje pracę.
Taki proces termodynamiczny, po którym układ wraca do stanu wyjściowego, po wykonaniu
szeregu pośrednich przemian, nazywamy cyklem termodynamicznym lub procesem kół.
Silnik parowy, parowy silnik tłokowy, silnik cieplny. Wewnętrzna energia rozprężającej się
pary wodnej przekształca się w nim w pracę mechaniczną za pośrednictwem tłoka
poruszającego się ruchem posuwisto-zwrotnym w cylindrze, do którego doprowadza się z
zewnątrz pod ciśnieniem parę wytworzoną w oddzielnym kotle. Istnieją silniki o działaniu
jednostronnym lub dwustronnym oraz o pojedynczym albo kilkakrotnym rozprężaniu pary.
Silnik spalinowy, silnik cieplny spalania wewnętrznego, w którym energia spalania mieszanki
paliwowo-powietrznej zamieniana jest na ruch obrotowy wału korbowego (silnik tłokowy)
lub turbiny (silnik turbinowy).
Sprawnością silnika cieplnego nazywamy stosunek procentowy ilości wykonanej przez silnik
pracy do ilości pobranego ze źródła ciepła.
k = W/Q1 100%
· II ZASADA TERMODYNAMIKI
Druga zasada termodynamiki - istnieje entropia będąca funkcją stanu układu, stałą w
odwracalnych procesach adiabatycznych i rosnącą we wszystkich innych. Zasadę tę, zgodnie,
z którą kierunek wzrostu entropii może służyć do formalnego wyróżnienia kierunku upływu
czasu (wszystkie inne prawa fizyki klasycznej nie ulegają zmianie przy zamianie przyszłości
z przeszłością), podał w 1850 R.J.E. Clausius, a uściślił, w 1851 Kelvin lord of Largs.
Druga zasada termodynamiki określa jednoznacznie warunki, w jakich ciepło może być
zamienione w pracę.
Drugą zasadę termodynamiki formułujemy też często jako niemożliwość zbudowania
perputuum mobile drugiego rodzaju. Zasada ta mówi, że niemożliwy jest taki proces, którego
jedynym rezultatem byłoby pobranie ciepła ze źródła o temperaturze wyższej i zmiana w
całości tego ciepła na pracę.
Silniki cieplne
Silniki cieplne, urządzenia zmieniające ciepło im dostarczone na energię mechaniczną w
formie pracy. Silniki cieplne są to między innymi silniki spalinowe, odżutowe rakietowe,
parowe itp. W silnikach cieplnych odbywają się procesy kołowe to znaczy, że po wykonaniu
pewnego cyklu przemian silnik wraca do swojego pierwotnego stanu. Substancja podlegająca
tym przemianom w silniku jest nazwana substancją roboczą. Silniki cieplne wykonują pracę
dzięki przepływowi ciepła, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki. Przepływ ciepła między
ciałami jest możliwy tylko wówczas, gdy istnieje różnica temperatur między nimi. Stąd silnik
cieplny musi pobierać ciepło ze źródła i oddawać jego część chłodnicy. Sprawność silnika
cieplnego określa się jako iloraz pracy uzyskanej w nim dzięki pobranemu ze źródła ciepłu i
wartości tego ciepła. Ponieważ substancja robocza oddaje część pobranego ciepła chłodnicy,
pobrana praca jest mniejsza od ciepła pobranego, a więc sprawność silnika cieplnego nie
może być całkowita (praktycznie najlepsze silniki cieple mają sprawność rzędu 30 - 40%). Ze
względu na sposób uzyskiwania energii mechanicznej, silniki cieplne można podzielić na
tłokowe (np. spalinowe) i turbinowe. W silnikach pierwszego typu ciepło powoduje wzrost
ciśnienia działającego na tłok umieszczony w cylindrze, a w konsekwencji jego ruch. W
silnikach drugiego typu ciepło powoduje wzrost energii kinetycznej substancji roboczej, który
łatwo jest zamieniany na energię kinetyczną łopatek turbin. Ruch tłoka w cylindrze i turbiny
po zastosowaniu odpowiednich przekładni jest zamieniany na in. Typu pracę mechaniczną lub
na inny rodzaj energii (np. elektrycznej). Idealnym silnikiem cieplnym, o największej
możliwej sprawności, jest silnik Carnota (cykl Carnota).