Termodynamika · Silniki cieplne i II zasada termodynamiki
Silniki cieplne i sprawność — poziom rozszerzony
Zasada działania silnika i bilans energii
Silnik cieplny działa cyklicznie między źródłem ciepłym o temperaturze i chłodnicą o temperaturze . W każdym cyklu pobiera ciepło ze źródła, oddaje ciepło chłodnicy i wykonuje pracę użyteczną .
Po pełnym cyklu czynnik wraca do stanu początkowego, więc . Z bilansu energii:
W schemacie wielkości oznaczają temperaturę i ciepło źródła, a — temperaturę i ciepło oddane chłodnicy.
Sprawność i druga zasada termodynamiki
Sprawność pokazuje, jaka część ciepła pobranego ze źródła zamienia się w użyteczną pracę:
Jest wielkością bez jednostki; w procentach mnożymy ją przez . Silnik oddaje część energii do chłodnicy, dlatego jego sprawność jest mniejsza od jedności.
Jeśli moc użyteczna jest stała, praca w czasie wynosi .
Sprawność i druga zasada termodynamiki
Ciepło samorzutnie przepływa od ciała cieplejszego do chłodniejszego. Silnik może część energii cieplnej zamienić na pracę, ale nie może w cyklu zamienić całego ciepła pobranego z jednego źródła na pracę.
Dlatego potrzebna jest chłodnica i silnik oddaje jej ciepło . Druga zasada wyznacza kierunek procesów i ogranicza sprawność; samo zachowanie energii nie wystarcza do określenia, czy proces może zachodzić.
Granica Carnota
Odwracalny silnik Carnota wyznacza największą sprawność możliwą dla silnika pracującego między źródłami o temperaturach i :
Temperatury w tym wzorze podaj w kelwinach. Każdy rzeczywisty silnik między tymi samymi źródłami ma sprawność mniejszą od .
Przy stałej temperaturze źródła ciepłego obniżenie temperatury chłodnicy zwiększa różnicę temperatur i sprawność graniczną.
Praca na wykresie i cykle techniczne
W cyklu gaz wraca do stanu początkowego, dlatego i ciepło netto pobrane przez gaz równa się pracy netto wykonanej przez gaz. Na wykresie praca cyklu jest polem zamkniętej pętli ze znakiem zależnym od kierunku obiegu.
Obieg zgodny z ruchem wskazówek zegara oznacza dodatnią pracę gazu. W obiegu przeciwnym gaz oddaje pracę, którą trzeba dostarczyć z zewnątrz. Sprawność silnika oblicza się z pracy użytecznej i ciepła pobranego ze źródła ciepłego.
Praca na wykresie i cykle techniczne
Cykle Otto, Diesla i Stirlinga są uproszczonymi modelami urządzeń. Pokazują, jakie przemiany gazu można łączyć w obieg, ale nie opisują dokładnie wszystkich procesów w rzeczywistym silniku.
- **Otto:** gaz jest sprężany i rozprężany adiabatycznie; ciepło jest dostarczane i odbierane przy stałej objętości.
- **Diesla:** sprężanie i rozprężanie są adiabatyczne; ciepło jest dostarczane przy stałym ciśnieniu i odbierane przy stałej objętości.
- **Stirlinga:** obieg obejmuje dwie przemiany izotermiczne i dwie izochoryczne; regenerator magazynuje i oddaje ciepło między etapami.
W modelu adiabatycznym nie ma wymiany ciepła z otoczeniem; przemianę izotermiczną opisuje stała temperatura, a izochoryczną — stała objętość.
Temperatury i ograniczenia sprawności
Wzór Carnota zawiera temperatury bezwzględne i , więc podstawiaj kelwiny. Różnica temperatur ma tę samą wartość liczbową w kelwinach i stopniach Celsjusza, ale iloraz wymaga kelwinów.
Sprawność licz z ciepła pobranego ze źródła ciepłego, a nie z ciepła oddanego chłodnicy. Dla silnika cyklicznego między dwoma różnymi temperaturami sprawność jest mniejsza niż .
Temperatury i ograniczenia sprawności
Sprawność graniczna Carnota wynosi . Przy stałej temperaturze chłodnicy podniesienie temperatury źródła ciepłego zwiększa sprawność graniczną. Przy stałej temperaturze źródła ciepłego obniżenie temperatury chłodnicy również ją zwiększa.
W obu przypadkach rośnie różnica temperatur, z której silnik może korzystać.
Temperatury i ograniczenia sprawności
Silnik nie może cyklicznie pobierać ciepła z jednego źródła i zamieniać go w całości na pracę. Musi oddać część energii chłodnicy, więc i .
To ograniczenie wynika z drugiej zasady termodynamiki. Zasada zachowania energii wyjaśnia bilans ilości energii, a druga zasada określa możliwy kierunek jej przemian.