Wykład 10 I zasada termodynamiki; perpetuum mobile I rodzaju Układy i procesy zgodne z I zasadą ale niezachodzące ( praca z ciepła i ciepło z zimna )

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Wykład 10 I zasada termodynamiki; perpetuum mobile I rodzaju Układy i procesy zgodne z I zasadą ale niezachodzące ( praca z ciepła i ciepło z zimna )"

Henryka Czyż
6 lat temu
Przeglądów:

1 ykła 10 I zasaa termoynamiki; perpetuum mobile I rozaju Ukłay i procesy zone z I zasaą ale niezachozące ( praca z ciepła i ciepło z zimna ) Silniki cieplne, chłoziarki i pompy cieplne II zasaa termoynamiki Silnik owracalny 1

2 I zasaa termoynamiki; perpetuum mobile I rozaju ciepło 1 2 praca 1 2 az 1 2 I zasaa termoynamiki U 2 2 U Dla obieu zamknięteo: TAK 1 2 U2 U1 δ - δ 0 rzejnik NIE Maksymalna praca, jaką moŝna otrzymać z ukłau moŝe być co najwyŝej równa (i to nie zawsze). Dla obieu zamknięteo praca wykonana przez ukła jest zawsze mniejsza o ostarczoneo ciepła. Jeśli praca > to ukła nazywamy perpetuum mobile I rozaju. Niy nie zbuowano i nie opisano takieo ukłau. 2

3 Ukłay i procesy zone z I zasaą ale niezachozące praca z ciepła Istnieją procesy owrotne o procesów zachozących, zone z I zasaą, jenak niezachozące. Dwa rozaje takich procesów to praca z ciepła i ciepło z zimneo. az az proces a proces b Proces a: wiatraczek wykonuje pracę mieszając az; temperatura azu rośnie. Gaz oaje nawyŝkę ciepła o otoczenia. Zonie z I zasaą (i eksperymentem). ZACHODZI Proces b: porzewamy az ostarczając ciepło, temperatura azu rośnie. iatraczek zaczyna się kręcić ponosząc cięŝarek i wykonując pracę. NIE ZACHODZI Proces b jest owrotny o a. Jest zony z I zasaą. Jenak proces b nie zachozi. 3

ciepło z zimna proces a proces b Proces a: Ciepło przepływa z ukłau o wyŝszej temperaturze (filiŝanka kawy) o ukłau o niŝszej temperaturze (otoczenie). ZACHODZI.

4 ciepło z zimna proces a proces b Proces a: Ciepło przepływa z ukłau o wyŝszej temperaturze (filiŝanka kawy) o ukłau o niŝszej temperaturze (otoczenie). ZACHODZI. Proces b: Ciepło przepływa z ukłau o niŝszej temperaturze (otoczenie) o ukłau o wyŝszej temperaturze (filiŝanka z ciepłą kawą, kawa robi się orąca). NIE ZACHODZI. Proces b jest owrotny o a. Jest zony z I zasaą. Jenak proces b nie zachozi. Z oświaczenia wiemy, Ŝe: 1) nie istnieją ukłay i nie zachozą procesy, w których ukła wykonuje pracę zewnętrzną (oatnią) kosztem ciepła (oatnieo) przekazaneo ze źróła ciepła o ukłau bez innych zmian w otoczeniu, 2) nie zachozą procesy, w których jeynym efektem jest przepływ ciepła z ukłau o niŝszej temperaturze o ukłau o wyŝszej temperaturze. 4

5 Silniki cieplne praca z ciepła. Jak uzyskać pracę, wykorzystując ciepło ze źróła ciepła? Silniki cieplne. Przykła moŝliweo o realizacji silnika cieplneo: źróło ciepła órne źróło ciepła olne Silnik pracuje pobierając ciepło z órneo źróła ciepła (o wyŝszej temperaturze) i oając ciepło o olneo źróła ciepła (o niŝszej temperaturze). Silnik wykonuje pracę, yŝ po jenym obieu cięŝarek został poniesiony na wyŝszy poziom i ma większą enerię potencjalną. Substancja robocza (az w cylinrze) po pełnym obieu znajuje się w tym samym stanie. Silnik pobrał ciepło, wykonał pracę i oał ciepło. U 0 Otrzymana praca jest mniejsza o ciepła pobraneo ze źróła órneo 5

6 Inny przykła silnika cieplneo ciepło KOCIOŁ POMPA G SKRAPLACZ TURBINA osłona kontrolna Siłownia parowa ChociaŜ kaŝy element siłowni moŝe być traktowany jako ukła otwarty stacjonarny o ustalonym przepływie (SUP) to jako całość siłownia moŝe być traktowana jako silnik cieplny. Dla uproszczenia przyjęliśmy, Ŝe w skła siłowni wchozi mały enerator G napęzany bezpośrenio przez turbinę i zasilający pompę. Praca ostarczana przez siłownię jest wówczas równa. Siłownia pobiera ciepło ze źróła órneo (proukty spalania w kotle, reaktor jąrowy, wymiennik ciepła zasilany z reaktora it.) i oaje ciepło w skraplaczu. Jest zatem silnikiem cieplnym wykonującym pracę kosztem ciepła ostarczoneo o substancji roboczej. Część ostarczoneo ciepła jest bezuŝyteczna ( ). praca ciepło yajność silnika cieplneo: η 1 6

7 chłoziarki i pompy cieplne ciepło z zimna, czyli jak przepompować ciepło ze źróła olneo o źróła órneo po to by: a) ponieść temperaturę źróła órneo (pompa cieplna) lub, b) obniŝyć temperaturę źróła olneo (chłoziarka). Chłoziarka (pompa cieplna) praca SPRĘśARKA PARONIK SKRAPLACZ KAPILARA (DŁAIK) ciepło Chłoziarki i pompy cieplne umoŝliwiają transfer ciepła ze źróła olneo (o niskiej temperaturze) o źróła órneo (o wysokiej temperaturze). Płyn chłoniczy o niskim ciśnieniu i temperaturze pobiera ciepło w parowniku. Po spręŝeniu o wysokieo ciśnienia i wysokiej temperatury przez spręŝarkę (praca ) oaje ciepło w skraplaczu po czym przechozi przez kapilary lub zawory ławiące co powouje spaek ciśnienia. osłona kontrolna ciepło β spółczynnik wyajności chłoziarki: 1 1 7

8 spółczynnik wyajności pompy cieplnej β' 1 1 Związek pomięzy współczynnikiem wyajności chłoziarki i pompy cieplnej: β 1 β' β ' β β+ ' ' 1 β ' 1 β ' 1 Dla silników cieplnych, chłoziarek i pomp cieplnych rezynujemy z konwencji znaków la ciepła i pracy. Ciepła pobierane i oawane z (o) obu źróeł, órneo i olneo, są oatnie. Praca otrzymana z silnika i włoŝona o chłoziarki są oatnie. Kierunki przepływu ciepła i pracy uwzlęniamy stosując opowienie znaki w bilansie eneretycznym (czyli pisząc I zasaę termoynamiki). 8

9 NIE ISTNIEJE II zasaa termoynamiki Dwa klasyczne sformułowania II zasay termoynamiki: T 1. Sformułowanie Kelvina - Plancka: NiemoŜliwe jest skonstruowanie urzązenia ziałająceo w obieu zamkniętym, któreo ziałanie poleałoby tylko na wykonywaniu pracy i równoczesnym ochłazaniu jeneo źróła ciepła. Działający silnik cieplny musi oprowazać część ciepła pobraneo ze źróła o wyŝszej temperaturze o źróła ciepła o niŝszej temperaturze. T 2. Sformułowanie Clausiusa: NiemoŜliwe jest skonstruowanie urzązenia ziałająceo w obieu zamkniętym, któreo ziałanie poleałoby wyłącznie na przepływie ciepła z ciała zimniejszeo o cieplejszeo. Działająca chłoziarka musi zawierać element taki jak zasilana z zewnątrz spręŝarka, który wykonuje pracę na czynniku roboczym. NIE ISTNIEJE T 9

10 Uwai o sformułowaniach Kelvina Plancka i Clausiusa Oba sformułowania są twierzeniami neatywnymi, niemoŝliwymi o uowonienia. Są oparte na oświaczeniu, jak kaŝe prawo fizyki. T Silnik ze sformułowania Kelvina Plancka byłby silnikiem iealnym, yŝ la 0, η 1 η 1 1 Silnik iealny to perpetuum mobile II rozaju T Chłoziarka ze sformułowania Clausiusa byłaby chłoziarką iealną, la 0, β (β ) β ( β' ) ( ) T Chłoziarka iealna o ziałania nie potrzebuje zewnętrznej pracy 10

11 Oba sformułowania II zasay są równowaŝne. - - Jeśli istnieje chłoziarka iealna to moŝna, zestawiając taką chłoziarkę z silnikiem cieplnym w jeen ukła, otrzymać silnik iealny (w czerwonej ramce). Efekt wypakowy; ukła pobiera ciepło i wykonuje pracę (silnik iealny) Jeśli istnieje silnik iealny to moŝna, zestawiając taki silnik z chłoziarką w jeen ukła, otrzymać chłoziarkę iealną (w czerwonej ramce). Efekt wypakowy; ukła pobiera ciepło ze źróła olneo i oaje ciepło o źróła órneo (chłoziarka iealna) 11

12 Silnik owracalny II zasaa termoynamiki mówi, Ŝe nie istnieje silnik iealny o wyajności η 1. Jaka jest zatem maksymalna moŝliwa wyajność silnika cieplneo? PokaŜemy, Ŝe z II zasay wynika, Ŝe najwyajniejszym silnikiem cieplnym jest silnik owracalny. Co to jest silnik owracalny? Procesy owracalne. Później. Obie owracalny. Później. Silnik owracalny moŝe pracować owrotnie ; po owróceniu obieu bęzie chłoziarką T Nasz silnik owracalny: pobiera ze źróła órneo, oaje ciepło o źróła olneo i wykonuje pracę Chłoziarka: pobiera ciepło ze źróła olneo, pobiera pracę z zewnątrz i oaje ciepło + o źróła órneo silnik T chłoziarka 12

13 Przypuśćmy, Ŝe istnieje super-silnik, owracalny lub nie, który jest wyajniejszy o naszeo silnika owracalneo. Silnik ten, pobierając ciepło ze źróła órneo, wykonuje większą pracę i oaje ciepło o źróła olneo. Super-silnik: >, >, Zestawimy o w jeen ukła z naszym silnikiem (,, ), któremu owrócimy bie. Super-silnik sprzęŝony z naszym silnikiem (owróconym) efektywnie tworzy silnik iealny, co przeczy II zasazie termoynamiki. T Ukła obu silników pobiera ciepło ze źróła órneo i wykonuje pracę ( ) równą pobranemu ciepłu. Efektywnie ukła nie oaje ciepła o źróła olneo. Istnienie super-silnika jest sprzeczne z II zasaą termoynamiki. T śaen silnik, owracalny lub nie, nie moŝe mieć wyajności wyŝszej o silnika owracalneo super-silnik chłoziarka 13

Podobne dokumenty

Termodynamika Techniczna dla MWT, Rozdział 10. AJ Wojtowicz IF UMK Układy i procesy zgodne z I zasadą termodynamiki ale niezachodzące

Termodynamika Techniczna dla MWT, Rozdział 10. AJ Wojtowicz IF UMK Układy i procesy zgodne z I zasadą termodynamiki ale niezachodzące Rozział 10 1. II zasaa termoynamiki 1.1. I zasaa termoynamiki; perpetuum mobile I rozaju 1.2. Ukłay i procesy zone z I zasaą termoynamiki ale niezachozące 1.3. Silniki cieplne, chłoziarki i pompy cieplne