Silniki - entropia w świecie rzeczywistym

 

Silnik cieplny to urządzenie, które wykonuje pracę kosztem energii pobranej na sposób ciepła z układu.

W przyrodzie wszystkie przemiany są w zasadzie nieodwracalne, a więc entropia wszystkich rzeczywistych układów rośnie.

Termodynamika. Ireneusz OwczarekW silniku idealnym wszystkie przebiegające procesy są odwracalne i nie ma strat związanych z niepożądanymi przemianami energii (tarcie, turbulencje).
Można analizować pracę silników rzeczywistych na podstawie działania silnika idealnego.
Idealizacją silnika cieplnego jest silnik pracujący wg cyklu Carnota.


Silnik taki ma największą teoretyczną sprawność w zamianie ciepła na użyteczną pracę. W trakcie każdego cyklu substancja robocza pobiera ze zbiornika cieplnego o stałej temperaturze TG - grzejnika energię (w postaci ciepła) QG i oddaje do zbiornika cieplejszego o stałej, niższej temperaturze TZ - chłodnicy energię QZ.

Zakłada się, że wymiana ciepła miedzy jednym ze zbiorników a substancją roboczą zachodzi tylko podczas przemian izotermicznych.

Cykl Carnota składa się z 4 kolejnych procesów:

  • Rozprężania izotermicznego w temperaturze T1.
  • Rozprężania adiabatycznego przy zmianie temperatury od T1 do T2.
  • Sprężania izotermicznego w temperaturze T2.
  • Sprężania adiabatycznego przy zmianie temperatury od T2 do T1.

Cykl Carnota realizowany jest w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara. Jeżeli cylinder silnika jest w kontakcie ze zbiornikiem o temperaturze T1, substancja robocza pobiera z tego zbiornika ciepło Q1 i ulega rozprężeniu izotermicznemu. Podobnie kiedy substancja robocza jest w kontakcie ze zbiornikiem cieplnym o temperaturze T2, oddaje on ciepło Q2 do zbiornika o niskiej temperaturze i jednocześnie ulega izotermicznemu sprężeniu.


Termodynamika. Ireneusz Owczarek Wykonana praca w przemianach 1223 (izotermiczna i adiabatyczna) odpowiada na wykresie polu powierzchni pod krzywą 123. Substancja robocza wykonuje dodatnią pracę.
W następujących po sobie przemianach 3441 (izotermiczna i adiabatyczna) substancja robocza jest sprężana co oznacza, że wykonuje pracę ujemną. Wielkość tej pracy odpowiada polu pod krzywą 341.
Łączna praca wykonana podczas jednego cyklu odpowiada różnicy obydwu pól i jest równa polu powierzchni ograniczonemu krzywymi 1234.


Sprawność silnika określa - jaka cześć energii pobranej na sposób ciepła może być przekazana innemu układowi na sposób pracy w jednym cyklu

η=
W

Q1
=
Q1 – Q2

Q1
.

Sprawność silnika byłaby maksymalna, gdyby pracował on w sposób odwracalny.
Sprawność zależy od temperatury chłodnicy i źródła ciepła.

η=
T1 – T2

T1
.

Twierdzenia Carnota:

  1. Wszystkie silniki pracujące w cyklu odwracalnym pomiędzy tymi samymi temperaturami maja tę samą sprawność.
  2. Sprawność cyklu nieodwracalnego jest zawsze mniejsza od sprawności cyklu odwracalnego.

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.

W roku 1848 lord Kelvin (Thomson William) wprowadził tzw. skalę bezwzględną lub skalę Kelvina, która wykorzystuje odwracalny cykl Carnota.
Definicja termodynamicznej skali temperatur:

T1

T2
= –
Q1

Q2
.

Niezbędnym warunkiem, jaki musi spełniać każda skala temperatur jest niezależność skali temperatur od własności substancji termometrycznej.




 Ireneusz Owczarek  ©  2011 - 2013