fizyka dla studentów poligrafii dynamika procesów cieplnych
DESCRIPTION
FIZYKA dla studentów POLIGRAFII Dynamika procesów cieplnych. Jak powinien przebiegać cykl termodynamiczny o teoretycznie największej sprawności?. silnik cieplny w postaci cylindra z tłokiem,. Jak zamienić ciepło w pracę?. substancj ą robocz ą jest gaz doskona ł y ,. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
FIZYKA dla studentów POLIGRAFII
Dynamika procesów cieplnych
Jak zamienić ciepło w pracę?
•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.
Jak powinien przebiegać cykl termodynamiczny o teoretycznie największej sprawności?
pobrQW
Cykl Carnota
T1
T2
V
p dostępny obszar
V
p
•
•
A
B
W
Cykl Carnota
W1 < 0 (praca jest odbierana od układu),
Q1 > 0 (ciepło jest dostarczane do układu)
U1= W1 + Q1 W1 = - Q1
T = const = T1 U1= 0
T1
T2
V
pA
B
Przemiana AB:
Cykl CarnotaPrzemiana BC:
Q2= 0
U2= W2 < 0
W2 < 0 (praca jest odbierana od układu),
p
T1
T2
A
B
CV
Cykl CarnotaPrzemiana CD:
U3= W3 + Q3 W3 = - Q3
T = const = T2 U3= 0
W1 > 0 (praca jest dostarczana do układu),
Q1 < 0 (ciepło jest odbierane od układu)
T1
T2
pA
B
CD
V
Cykl CarnotaPrzemiana DA:
W4 > 0 (praca jest dostarczana do układu),
Q4= 0
U4= W4 > 0
T1
T2
pA
B
CD
V
Sprawność cyklu:p
od
p
odp
p QQ
QQQ
QW
1
Cykl Carnota
Cykl CarnotaCykl Carnota jest cyklem o sprawności największej z możliwych.
Ciepło pobrane:
Ciepło oddane:
Sprawność:
CDABodp QQQQW '
Cykl Carnota
4
32
1
21
ln
ln1
VVRT
VVRT
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
Qod - ciepło oddane grzejnikowi
Qp - ciepło pobrane od chłodnicy
Qp < Qod
Temperatura chłodnicy maleje, temperatura grzejnika rośnie kosztem pracy wykonanej nad układem - lodówka
Entropia
Ciepło zredukowane
Entropia
Dla dowolnego cyklu odwracalnego:
Funkcja stanuEntropia S:
Entropia
Entropia S :
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.
1
212 lnlnln
2
1
2
1VV
RVVRTV
RTdVT
pdVTdQ
SV
V
V
V
dU = 0 p = RT/V
Entropia
To samo ze wzoru :
1
212 lnlnln
WW
kWWkS
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 : 2
1
VV
Prawdopodobieństwo, że NA cząstek znajdzie się w objętości V1 :
AN
VV
W
2
11
Entropia
2
1
2
1
2
1
121
2
lnln
ln1lnln
VV
RVV
Nk
VV
kVV
kWW
kS
A
N
N
A
A
1
2lnVV
RTdQ
S
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
EntropiaSprawność silników nieodwracalnych jest mniejsza niż odwracalnego silnika Carnota:
Uogólnienie: nierówność Clausiusa
Entropia
Rozpatrzmy cykl kołowy, w którym przemiana ze stanu A do B jest nieodwracalna, a przemiana z B do A jest odwracalna.
Dla przemiany odwracalnej:
V
p
••
A
B
Entropia
Dla układu izolowanego:
Entropia układu izolowanego, w którym zachodzą procesy nieodwracalne może tylko rosnąć.
W jakich procesach entropia maleje?
II zasada termodynamiki
1. 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.
4. Entropia układu izolowanego nie może maleć.
3. Skonstruowanie perpetuum mobile drugiego rodzaju jest niemożliwe.
ssanie
Sprężanie Q = 0
zapł
on Praca Q = 0
wydech
otwarcie zaworu wydechu
Silnik spalinowy
71
2 VV
film
Silnik Diesla
sprężanie powietrza
wstrzykiwanie paliwa
spalanie
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 termodynamicznePraca 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 potencjałuS=const, V=const energia wewnętrzna, UT=const, V=const energia swobodna, FS=const, p=const entalpia, HT=const, p=const potencjał Gibbsa, G