Cykl przemian termodynamicznych

1. Cykl przemian termodynamicznych Silnik cieplny

2. Pracę na ciepło zamieniać jest łatwo np. przez pocieranie dłoni

3. Proces odwrotny jest możliwy, ale muszą być spełnione odpowiednie warunki • Odpowiedź na pytania: • jak zamienić ciepło na pracę? • czy jest to opłacalne? • poznamy w dalszej części prezentacji Czy zamiana ciepła na pracę jest opłacalna?

4. Chcemy zbudować silnik cieplny, który mógłby w sposób ciągły zamieniać ciepło na pracę

5. W naszym przypadku praca silnika polegać będzie na przenoszeniu cegły z poziomu niższego na poziom wyższy Chcemy, aby silnik tę czynność powtarzał i kolejne cegły przenosił do góry Poziom wyższy Poziom niższy

6. Budowa silnika cylinder tłok gaz np. azot, powietrze...

7. Ciśnienie i objętość gazu przed załadowaniem cegły Ciśnienie i objętość gazu przed załadunkiem cegły . p p V V

8. Pracę silnika podzielimy na etapy p V

9. I. Załadunek cegły Pod ciężarem cegły tłok trochę obniży się p V

10. Ładowanie kolejnych cegieł powodowałoby dalsze obniżanie tłoka. W końcu cegły zaczęłyby spadać w dół i mogłyby się poniszczyć. p . V

11. Dlatego chcemy, aby podczas załadunku tłok był cały czas na tym samym poziomie w tym celu należy gaz ogrzewać p . V

12. Załadunek cegły zakończony. Przerywamy ogrzewanie gazu Jaka jest teraz objętość i ciśnienie gazu? p . . Ciśnienie i objętość gazu po podgrzaniu V

13. Przejście gazu od stanu przed załadunkiem do stanu po załadunku możemy na wykresie przedstawić w postaci strzałki p . I I przemiana gazu . V

14. Qv Strzałka w górę oznacza, że gaz pobrał ciepło w czasie I przemiany, która zachodzi przy pobiera stałej gaz ...................... ciepło ........................... objętości Qv (malejącej, stałej, rosnącej) (oddaje, pobiera) p . I . V

15. Qv Qv Po załadowaniu cegły chcemy, aby tłok podniósł ją do góry dalej podgrzewać gaz W tym celu ......................... należy .................................... p . I . V

16. Qv Qv Po załadowaniu cegły chcemy, aby tłok podniósł ją do góry dalej podgrzewać gaz W tym celu ......................... należy .................................... p . I . V

17. Qv 0bjętość i ciśnienie gazu po podniesieniu cegły Podczas II przemiany gaz zwiększył objętość, przy stałym ciśnieniu kosztem dostarczonego ciepła Qp p II .  I . objętość i ciśnienie V

18. Qv Qp Gaz podniósł tłok do góry wykonał pracę zwiększyła się objętość gazu Praca wykonana przez gaz jest równa polu powierzchni figury pod wykresem II przemiany p II .  I . V

19. Qv Qp III Rozładunek cegły Po zdjęciu pierwszej cegły Tłok trochę podniesie się do góry p II .  I . V

20. Qv Qp Chcemy, aby w czasie rozładunku tłok nie podnosił się W tym celu należy należy ochładzać gaz p II .  I . V

21. Qv Qp Rozładowujemy dalej cegłę p II .  I . V

22. Qv Qp Cegła została rozładowana Objętość i ciśnienie gazu po rozładowaniu cegły Wykres III przemiany p II .  I III .  objętość i ciśnienie V

23. Qv Qp oddał W czasie ochładzania, tłok był nieruchomy a gaz ................... ciepło stałej w ............... objętości Qv↓ p II .  I III .  V

24. Qv Qp Qv↓ Strzałka skierowana dół oznacza, że gaz oddał ciepło Po rozładowaniu cegły tłok musi wrócić na dół, po następny ładunek w tym celu gaz należy dalej ochładzać p II .  I III .  V

25. Qv Qp IV Przemiana Qv↓ p II .  I III .  V

26. Qv Qp Qv↓ objętość ciśnieniu Gaz zmniejszył ....................... przy stałym ............................ p II .  I III .  V

27. Qv Qp Qv↓ objętość ciśnieniu Gaz zmniejszył ....................... przy stałym ............................ Gaz oddał ciepło Qp↓ p II .  I III .  V

28. Qv Qp Qv↓ Qp↓ Wykres IV przemiany Po czterech przemianach gaz wrócił do początkowego stanu Mówimy, że gaz wykonał cykl przemian termodynamicznych p II .  I III .  IV V

29. Qv Qp Qv↓ Qp↓ W IV przemianie gaz zmniejszył objętość, a więc oddał pracę (lub praca została wykonana nad gazem) Jej wartość jest równa polu figury pod wykresem IV przemiany p II .  I III .  IV V

30. Qv Qp Qv↓ Qp↓ Jeśli od pracy w przemianie II odejmiemy pracę w przemianie IV Otrzymamy pracę wykonaną przez silnik w czasie jednego cyklu Jest równa polu powierzchni zakreskowanego prostokąta p II .  I III .  IV V

31. Zamiana pracy na ciepło jest prosta w odpowiednich warunkach ciepła na pracę tzn. gaz nie może być tylko ogrzewany musi też oddawać ciepło

32. Chcielibyśmy, aby silnik całe dostarczone ciepło zamieniał na pracę nie jest to jednak możliwe gdyż, nie można cofnąć tłoka w dół, bez ochładzania gazu

33. Zbudowany przez nas silnik ma dwie ważne zalety: • jest prosty w budowie • łatwo zrozumieć zasadę jego działania Jednak jego pracę trudno byłoby wykorzystać praktycznie

34. Oto model rzeczywistego silnika spalinowego i jego działanie

35. Qv Qp = Q1 + Gaz w czasie jednego cyklu pracy silnika dwa razy pobierał ciepło Qv↓ + Qp↓ = Q2 Oznaczmy przez Q1 sumę Qv+Qp Również dwa razy oddawał ciepło Oznaczmy przez Q2 sumę Qv↓+ Qp↓ p II .  I III .  IV V

36. Qv Qp Praca wykonana przez gaz w czasie jednego cyklu = Q1 + zgodnie z I zasadą termodynamiki Qv↓ + Qp↓ = Q2 równa się różnicy ciepła pobranego Q1 i oddanego Q2 W= Q1 - Q2 równa się polu zakreskowanego prostokąta p II .  I III .  IV V

37. Qv Qp = Q1 + W= Q1 - Q2 Qv↓ + Qp↓ = Q2 Praca wykonana przez urządzenie Sprawność urządzenia = Energia pobrana przez urządzenie p II .  I III .  IV V

38. W Q1 - Q2 . .  = 100% 100% = Q1 Q1 Qv Qp = Q1 + W= Q1 - Q2 Qv↓ + Qp↓ = Q2 p II .  I III .  IV V

39. T1 - T2 .  = 100% T1 Francuski fizyk S. Carnot zaprojektował teoretyczny model silnika i wykazał, że jego sprawność da się obliczyć prostym wzorem T1 – temperatura źródła ciepła T2 – temperatura chłodnicy

40. Sprawność rzeczywistych silników cieplnych nie jest wysoka waha się od ok. 10% w lokomotywie parowej

41. ok. 30% w silnikach benzynowych

42. do ok. 40% w silnikach wysokoprężnych (Diesla)

43. lub obecnie trochę więcej w nowoczesnych silnikach wysokoprężnych

44. Silniki wysokoprężne są bardziej ekonomiczne od silników benzynowych z dwóch powodów: • mają większą sprawność • jest do nich tańsze paliwo Jednak ich konstrukcja jest droższa, gdyż pracują pod wysokimi ciśnieniami

45. Koniec