Cykl przemian termodynamicznych Silnik cieplny

Pracę na ciepło zamieniać jest łatwo np. przez pocieranie dłoni

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?

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

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

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

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

Pracę silnika podzielimy na etapy V

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

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

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

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

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

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

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

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

0bjętość i ciśnienie gazu po podniesieniu cegły 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

. . 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

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

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

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

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

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

gaz należy dalej ochładzać 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

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

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

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

. . 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

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

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

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

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

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

Oto model rzeczywistego silnika spalinowego i jego działanie

Gaz w czasie jednego cyklu pracy silnika dwa razy pobierał ciepło 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

Qv + Qp = Q1 Praca wykonana przez gaz w czasie jednego cyklu 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

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

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

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

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

ok. 30% w silnikach benzynowych

do ok. 40% w silnikach wysokoprężnych (Diesla)

lub obecnie trochę więcej w nowoczesnych silnikach wysokoprężnych

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

Koniec