FIZYKA dla studentów POLIGRAFII Dynamika procesów cieplnych

Jak zamienić ciepło w pracę? Jak powinien przebiegać cykl termodynamiczny o teoretycznie największej sprawności? substancją roboczą jest gaz doskonały, silnik cieplny w postaci cylindra z tłokiem, przez ścianki cylindra możemy dostarczać i odbierać ciepło, dzięki ruchowi tłoka możemy pobierać i dostarczać pracę, substancja robocza pracuje w cyklu zamkniętym, a poszczególne przemiany są kwazistatyczne, czyli odwracalne, w jednym cyklu pracy silnika można dostarczyć określoną ilość ciepła Qp, temperatura substancji roboczej nie może przekroczyć zakresu pewnych ustalonych wartości.

Cykl Carnota V p • A B W T1 T2 V p dostępny obszar

Cykl Carnota Przemiana AB: p A B T1 T2 V T = const = T1 U1= 0 U1= W1 + Q1 W1 = - Q1 W1 < 0 (praca jest odbierana od układu), Q1 > 0 (ciepło jest dostarczane do układu)

Cykl Carnota Przemiana BC: p A B T1 T2 C V Q2= 0 U2= W2 < 0 W2 < 0 (praca jest odbierana od układu),

Cykl Carnota Przemiana CD: p A B T1 D T2 C V T = const = T2 U3= 0 U3= W3 + Q3 W3 = - Q3 W1 > 0 (praca jest dostarczana do układu), Q1 < 0 (ciepło jest odbierane od układu)

Cykl Carnota p Przemiana DA: A B T1 D T2 C V Q4= 0 U4= W4 > 0 W4 > 0 (praca jest dostarczana do układu), Sprawność cyklu:

Cykl Carnota                                                                                                                                                                   

Cykl Carnota Cykl Carnota jest cyklem o sprawności największej z możliwych. Ciepło pobrane: Ciepło oddane: Sprawność:

Cykl Carnota Dla przemian adiabatycznych:

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

Cykl odwrotny Qp < Qod Qod - ciepło oddane grzejnikowi Qp - ciepło pobrane od chłodnicy Temperatura chłodnicy maleje, temperatura grzejnika rośnie kosztem pracy wykonanej nad układem - lodówka

Entropia Ciepło zredukowane

Entropia Dla dowolnego cyklu odwracalnego: Funkcja stanu Entropia S:

Entropia Entropia S: Jaki jest związek między tymi pojęciami? Obliczmy zmianę entropii 1 mola gazu doskonałego, który rozprężył się izotermicznie od objętości V1 do objętości V2. dU = 0 p = RT/V

Entropia To samo ze wzoru : W2 = 1 – prawdopodobieństwo, że po rozprężeniu wszystkie cząstki są w objętości V2 W1 – prawdopodobieństwo, że po rozprężeniu wszystkie cząstki są w objętości V1 Prawdopodobieństwo, że 1 cząstka znajdzie się w objętości V1 : Prawdopodobieństwo, że NA cząstek znajdzie się w objętości V1 :

Entropia

Entropia Dla kołowego procesu odwracalnego: Dla przemiany przeprowadzającej w sposób odwracalny układ ze stanu A do stanu B: Entropię można wyznaczyć z dokładnością do stałej

Entropia Addytywność entropii: entropia układu jest sumą entropii podukładów W przemianie adiabatycznej: przemiana adiabatycznej - proces izoentropowy

Entropia Sprawność silników nieodwracalnych jest mniejsza niż odwracalnego silnika Carnota: Uogólnienie: nierówność Clausiusa

Entropia V p • A B Rozpatrzmy cykl kołowy, w którym przemiana ze stanu A do B jest nieodwracalna, a przemiana z B do A jest odwracalna. Dla przemiany odwracalnej:

Entropia Dla układu  izolowanego: Entropia układu izolowanego, w którym zachodzą procesy nieodwracalne może tylko rosnąć.

W jakich procesach entropia maleje?

II zasada termodynamiki Clausius (1850r): Niemożliwe jest przekazywanie ciepła przez ciało o temperaturze niższej ciału o temperaturze wyższej bez wprowadzenia innych zmian w obu ciałach i w otoczeniu. 2. Kelvin (1851r.): Niemożliwe jest pobieranie ciepła z jednego termostatu i zamiana go na pracę bez wprowadzania innych zmian w układzie i w otoczeniu. 3. Skonstruowanie perpetuum mobile drugiego rodzaju jest niemożliwe. 4. Entropia układu izolowanego nie może maleć.

film Silnik spalinowy zapłon Praca Q = 0 Sprężanie Q = 0 otwarcie zaworu wydechu ssanie wydech

Silnik Diesla wstrzykiwanie paliwa spalanie sprężanie powietrza

Silnik Diesla

Potencjały termodynamiczne Energia wewnętrzna: Kiedy układ nie wymienia ciepła z otoczeniem (dS = 0) to wykonana przez układ praca równa jest ubytkowi jego energii wewnętrznej.

Potencjały termodynamiczne Praca siły zewnętrznej w procesie izotermicznym: Energia swobodna: Praca gazu w procesie izotermicznym: Praca jest równa różnicy energii swobodnych stanu końcowego i początkowego. Możliwość wykonania pracy przez układ nie jest określona przez energię wewnętrzną układu, ale jedynie przez jej część - energię swobodną. 

Potencjały termodynamiczne W procesie zachodzącym przy stałym ciśnieniu: Entalpia: Ciepło pobierane przez układ w przemianie izobarycznej:

Potencjały termodynamiczne Termodynamiczny potencjał Gibbsa: Zmiana potencjału Gibbsa jest zależna od zmian ciśnienia i temperatury.

Potencjały termodynamiczne Wartości potencjałów termodynamicznych ich stają się minimalne w przypadku równowagi termodynamicznej, jeśli proces przebiega w określonych warunkach. Warunki przemiany Minimum potencjału S=const,   V=const energia wewnętrzna, U T=const,  V=const energia swobodna,  F S=const,   p=const entalpia,  H T=const,   p=const potencjał Gibbsa, G