II zasad termodynamiki Wyk. Agata Niezgoda Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Silniki cieplne Silniki cieplne to silniki, w których ciepło uzyskane ze spalania paliwa zamieniane jest na pracę mechaniczną. Napędzają wiele rodzajów pojazdów, generatorów i maszyn. W obecnych czasach silniki cieplne są najczęściej używanymi silnikami. Wysokoprężny silnik Diesla

Modele silników cieplnych Model silnika dwusuwowego Model silnika czterosuwowego z zapłonem iskrowym Model silnika wysokoprężnego

Silnik Diesla Rudolf Diesel Pierwszy zbudowany w 1897 roku silnik Diesla jest silnikiem stacjonarnym. Od 1912 roku silniki takie są stosowane również w lokomotywach. Rudolf Diesel

Schemat budowy czterosuwowego silnika z zapłonem samoczynnym (Diesla) Cylinder takiego silnika składa się z 2 kanałów: dolotowego i wylotowego, zamykanych zaworami. Paliwo (olej napędowy) dostarczany jest za pomocą pompy wtryskowej. W środku cylindra znajduje się tłok, który połączony jest z wałem korbowym przez korbowód. Wał korbowy przekazuje napęd do skrzyni biegów itd.

Etapy jednego cyklu pracy silnika I etap – Ssanie Zawór dolotowy zostaje otwarty, tłok przesuwa się na dół i zasysane jest powietrze do środka cylindra. Tłok osiąga maksymalnie najniższe położenie i wówczas zawór się zamyka.

II etap – Sprężanie Zawór dolotowy i wylotowy są zamknięte. Tłok przemieszcza się bardzo szybko do góry, powodując adiabatyczne sprężanie się powietrza. Cylinder nie jest wykonany z materiału izolującego, ale w czasie jednego cyklu przekazuje do otoczenia znikomą ilość ciepła. W wyniku sprężania ciśnienie gazu rośnie, a co za tym idzie rośnie również jego temperatura. Siły sprężające gaz, wykonują pracę W1. Gdy tłok znajdzie się na samej górze, następuje wtrysk paliwa do cylindra.

III etap – Spalanie i praca Zawory nadal są zamknięte. Następuje wtrysk paliwa do rozgrzanego powietrza w cylindrze co powoduje jego samozapłon. Wzrasta temperatura powietrza i spalin w cylindrze. Wzrost temperatury powoduje wzrost ciśnienia wewnątrz cylindra. Tłok porusza się w dół a spalanie nadal trwa, co sprawia, że pomimo wzrostu objętości przestrzeni nad tłokiem, ciśnienie spalin się nie zmienia.

III etap – Spalanie i praca Ciepło Q1 dostarczone do silnika pochodzi z procesu spalania paliwa. Gazy spalinowe, rozprężając się adiabatycznie, wypychają tłok, wykonując pracę W2 (W2<0) kosztem energii wewnętrznej spalin. Z tego powodu temperatura spalin zmniejsza się. Gdy tłok osiągnie skrajne dolne położenie, otwiera się zawór wylotowy.

IV etap – Wydech Zawór otwiera się, ciśnienie spalin gwałtownie maleje IV etap – Wydech Zawór otwiera się, ciśnienie spalin gwałtownie maleje. Tłok unosi się ku górze i wypycha gorące spaliny z cylindra, ciepło wydalane jest na zewnątrz układu i równe jest Q1. Tłok powraca do stanu początkowego i cykl może się powtarzać.

Reasumując Powietrze w cylindrze sprężane jest przez siły zewnętrzne W1 (W1>0), Silnik pobiera ciepło ze spalania paliwa równe Q1(Q1 >0), Gorące spaliny wykonują pracę W2 (W2<0), kosztem tylko części uzyskanego ciepła, reszta ciepła Q2(Q2 <0) wydalana jest wraz ze spalinami do otoczenia podczas wydechu.

Powyższe rozważania są bardzo uproszczone ale pozwalają zrozumieć ideę pracy silnika spalinowego. Na podobnej zasadzie działa czterosuwowy silnik benzynowy z zapłonem iskrowym. Podstawowa różnica polega na tym, że w silniku iskrowym paliwo jest pobierane wraz z powietrzem. Sprężana jest zatem mieszanka paliwowo-powietrzna, a nie samo powietrze. Sprawia to, że stopień sprężania w silniku iskrowym jest mniejszy niż w silniku Diesla. Podczas sprężania mieszanki rośnie jej temperatura i gdyby stopień sprężenia był zbyt duży, mógłby nastąpić samozapłon zanim tłok znalazłby się w górnym skrajnym położeniu. Niektóre silniki Diesla wyposażone są w dodatkową sprężarkę powietrza (tzw. turbodiesel). Uzyskuje się w nich wyższy stopień sprężania, a zatem i większą moc takiego silnika. Silnik paliwowy

II zasada termodynamiki Niemożliwe jest zbudowanie silnika cieplnego, który będzie wykonywał pracę, pobierając ciepło tylko ze źródła ciepła, bez możliwości przekazywania energii do chłodnicy o niższej temperaturze. Inne sformułowanie II zasady termodynamiki Niemożliwy jest proces, którego jedynym rezultatem jest przekazanie energii w postaci ciepła od ciała o temperaturze niższej do ciała o temperaturze wyższej.

Bibliografia D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy Fizyki, cz. 2, wyd. PWN, Warszawa 2003 P. Walczak, G. F. Wojewoda, Fizyka i astronomia, zakres podstawowy, podręcznik, cz. 2, wyd. OPERON, Gdynia 2007

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ!!!