Kruhový děj s ideálním plynem, 2. termodynamický zákon

 

Otázka: Kruhový děj s ideálním plynem, 2. termodynamický zákon

Předmět: Fyzika

Přidal(a): Michaela H

 

Práce plynu

• Práce vykonaná plynem při izobarickém ději je rovna součinu tlaku plynu a přírůstku jeho objemu
• W’ = pΔV
• W’ = Fs = pSΔs = pΔV
• Práce vykonaná při izobarickém ději, při němž plyn přejde ze stavu A do stavu B, je znázorněna obsahem obdélníku ležícího v p-V diagramu pod izobarou
  • Diagram p-V se nazývá pracovní diagram
• S = pΔV
• Při proměnném tlaku:
  • Práce vykonaná plynem při zvětšení jeho objemu je v prac. diagramu znázorněna obsahem plochy, která leží pod příslušným úsekem křivky p=f(V)
  • Tlaková síla působící na píst není stálá:
    • W’ = p₁ΔV + p₂ΔV + … + p_nΔV

 

Kruhový děj

• Děj při kterém je konečný stav soustavy totožný s počátečním stavem, se nazývá kruhový (cyklický) děj
• Protože při kruhovém ději je počáteční stav látky totožný s konečným stavem, je celková změna vnitřní energie pracovní látky po ukončení cyklu nulová
• Těleso, od kterého pracovní látka přijme teplo Q₁ je ohříváč
• Těleso, kterému pracovní látka teplo Q’₂ (< Q₁) předá je chladič
• Obsah plochy uvnitř uzavřené křivky zobrazující v pracovním diagramu kruhový děj znázorňuje celkovou práci vykonanou pracovní látkou během jednoho cyklu, tzv. užitečná práce
• Celková práce W’, kterou vykoná pracovní látka během jednoho cyklu kruhového děje, se rovná celkovému teplu Q = Q₁ + Q’₂ přijatému během tohoto cyklu od okolí
• Použitím prvního termodynamického zákona pro tento děj pak dostaneme W’ = Q

 

Účinnost kruhového děje

• ŋ = W’/Q₁ = (Q₁-Q’₂)/Q₁ = 1 – Q’₂/Q₁
• Účinnost ŋ (étha) libovolného kruhového děje je určena vztahem a je vždy < 1:

 

Druhý termodynamický zákon

• Není možné sestrojit periodicky pracující stroj, který by jen přijímal teplo od určitého tělesa (ohřívače) a vykonával stejně velkou práci

• Při tepelné výměně těleso o vyšší teplotě nemůže samovolně přijímat teplo od tělesa s nižší teplotou
• Cyklicky pracující tepelný stroj
  • W’ = Q₁ – Q₂
• Perpetum mobile druhého druhu
  • W’ = Q₁

 

Carnotův cyklus

• Carnotův cyklus označuje vratný kruhový děj ideálního tepelného stroje, který se skládá ze dvou izotermických a dvou adiabatických dějů.
  • Izotermická expanze
  • Adibatická expanze
  • Izotermická komprese
  • Adiabatická komprese

 

Tepelné motory

• Hnací stroje, které přeměňují část vnitřní energie paliva uvolněné hořením na energii pohybovou
• Libovolný tepelný motor se skládá z pracovní látky, ohřívače a chladiče
• Vnitřní energie se předá pracovní látce (např. plynu, páře) tepelnou výměnou

 

Princip

• Při expanzi (zvětšování objemu) koná pracovní látka práci proti vnějším silám a uvádí do pohybu především dopravní prostředky nebo některá strojní zařízení
• Tepelný motor musí pracovat cyklicky. Během cyklu po expanzi pracovní látky následuje její komprese (zmenšování objemu)
• Reálné tepelné motory ale pracují tak, že po expanzi se pracovní látka z motoru vypouští (např. shořelá pohonná směs u vznětového motoru) a stlačuje se nová dávka pracovní látky
• Pro účinnost tepelného motoru, který pracuje s ohřívačem o teplotě T₁ a chladičem o teplotě T₂, platí:
  • ŋ ≤ ŋ_max = (T₁-T₂)/T₁ = 1 – T₂/T₁

 

Tepelné motory můžeme rozdělit na:

• Parní
  • pracovní látkou je vodní pára získaná v kotli mimo motor
  • např parní stroj, parní turbína
• Spalovací
  • pístové (plynová turbína, zážehový motor čtyřdobý, zážehový motor dvoudobý, vznětový motor)
  • reaktivní (proudový motor, raketový motor)
  • // pohonnou látkou je plyn vznikající při hoření paliva

 

Zážehový motor čtyřdobý

• Pracuje ve čtyřech dobách:
  • Sání – sací ventil se otevírá, výfukový je uzavřen, píst se pohybuje dolů a do válce je nasávána pohonná směs
  • Stlačení – oba ventily jsou uzavřeny, píst se pohybuje nahoru a stlačuje pohonnou směs
  • Výbuch – oba ventily jsou uzavřeny, zápalná směs prudce shoří, vytvořený plynu stlačují píst prudce dolů
  • Výfuk – sací ventil je uzavřen, výfukový se otevírá, píst při pohybu nahoru vytlačuje spálené plyny mimo válec do výfuku
• Účinnost motoru je 20 % až 33 %

 

Entropie

• Veličina vyjadřující směr energetických přeměn (vývoje) zkoumaného systému.
• Entropie vyjadřuje tendenci systému přecházet z méně pravděpodobných (uspořádanějších) stavů do stavů pravděpodobněji realizovatelných (méně uspořádaných).
• Entropie S je mírou neuspořádanosti (poloh a rychlostí částic) systému.
• Pro dokonale uspořádaný systém (krystalická mřížka při 0 K) je S = 0. Se vzrůstající teplotou a klesajícím tlakem
• Entropie je termodynamická stavová veličina.