Obieg termodynamiczny - Polski Serwis Naukowy

Obieg termodynamiczny jest to szereg dowolnych przemian termodynamicznych, którym podlega czynnik termodynamiczny, a stan termodynamiczny czynnika na końcu obiegu pokrywa się ze stanem na jego początku.

Punkty charakterystyczne

W każdym obiegu termodynamicznym można wyróżnić 4 punkty charakterystyczne: dwa punkty zwrotne i dwa punkty adiatermiczne. Punkty zwrotne dzielą obieg na dwie części: linię ekspansji i linię kompresji. Punkty adiatermiczne dzielą obieg na dwie linie: przemianę w której ciepło jest doprowadzane do czynnika termodynamicznego z zewnątrz i przemianę w której ciepło wypływa od czynnika obiegowego.

Ciepło – w fizyce to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu. Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących te układy ; oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii .

Idealizacja – termin określający eksperyment myślowy dokonywany poprzez działania poznawcze, który polega na uproszczeniu analizy rzeczywistości. Określana jest tak również eliminacja czynników uważanych za nieistotne i zwrócenie uwagi na te, zdaniem badacza czy obserwatora, decydujące. Polega na badaniu zjawisk na drodze abstrakcji w ich czystej, niezmąconej postaci.

Kierunek obiegu

Obieg termodynamiczny w układzie T-s. Biały obszar przedstawia pracę cyklu, czerwony obszar odpowiada ciepłu wymienionemu z dolnym źródłem ciepła obiegu

W układzie P(V) praca cyklu określona jest wzorem: $\,\!W = \oint_{C} P dV$ ,

W układzie T(s) praca cyklu określona jest wzorem: $\,\!W = \oint_{C} T dS$ .

gdzie $C$ — kontur obiegu.

Cykl Diesla (obieg Diesla) to prawobieżny obieg termodynamiczny złożony z czterech następujących po sobie przemian charakterystycznych: dwóch adiabat odwracalnych (będących jednocześnie izentropami), izobary i izochory. Obieg Diesla nie jest obiegiem porównawczym silnika wysokoprężnego (silnika Diesla). Obiegiem porównawczym jest obieg Seiligera-Sabathé.

Siłownia parowa – zespół maszyn i urządzeń mających na celu wytwarzanie mocy mechanicznej z wykorzystaniem turbiny parowej lub tłokową maszyną parową. Proces konwersji energii odbywa się z wykorzystaniem wody i pary wodnej. Para wodna wytwarzana jest pod odpowiednio wysokim ciśnieniem w kotle parowym, a rozprężana w turbinie bądź maszynie tłokowej. Po rozprężeniu podlega ona skropleniu w skraplaczu (układ zamkniety) lub jest wyrzucana do otoczenia (układ otwarty). W układzie zamkniętym skropliny są przetłaczane z powrotem do kotła przy pomocy pompy. Woda jest zachowana w układzie.

W układzie P(V) lub T(s) obieg może być lewobieżny lub prawobieżny. Obiegi prawobieżne to takie, w których kolejne następstwo stanów czynnika w układzie dowolnych współrzędnych odbywa się w kierunku ruchu wskazówek zegara. W obiegu lewobieżnym kolejne następstwo przemian ma kierunek przeciwny. W obiegu prawobieżnym praca jest wykonywana przez czynnik termodynamiczny kosztem części dostarczonego z zewnątrz ciepła. Maszyny realizujące takie obiegi to silniki cieplne. W obiegu lewobieżnym praca musi być dostarczona z zewnątrz. Urządzenia realizujące takie obiegi to maszyny robocze, takie jak sprężarki, pompy ciepła, chłodziarki.

Komora spalania – element silnika cieplnego wykorzystującego wewnętrzne spalanie paliwa jako sposób dostarczania górnego (dodatniego) ciepła obiegu termodynamicznego (silnik o spalaniu wewnętrznym). Spalanie paliwa następuje w sprężonym powietrzu lub w kontakcie z utleniaczem i może być realizowane w sposób ciągły (silniki turbinowe, rakietowe) lub cyklicznie (silniki tłokowe).

Entropia – termodynamiczna funkcja stanu, określająca kierunek przebiegu procesów spontanicznych (samorzutnych) w odosobnionym układzie termodynamicznym. Entropia jest miarą stopnia nieuporządkowania układu. Jest wielkością ekstensywną. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, jeżeli układ termodynamiczny przechodzi od jednego stanu równowagi do drugiego, bez udziału czynników zewnętrznych (a więc spontanicznie), to jego entropia zawsze rośnie. Pojęcie entropii wprowadził niemiecki uczony Rudolf Clausius.

Obiegi rzeczywiste i porównawcze

Obiegi termodynamiczne spełniają zasadnicze zadanie przy ocenie działania rzeczywistych urządzeń cieplnych. Dla każdego typu urządzeń działających w sposób ciągły lub okresowy i realizujących obieg rzeczywisty, można ustalić najkorzystniejszy odwracalny obieg porównawczy. Obieg taki jest idealizacją obiegu rzeczywistego (indykatorowego) realizowanego przez rzeczywista maszynę.

Przemiana izobaryczna to proces termodynamiczny, podczas którego ciśnienie układu nie ulega zmianie, natomiast pozostałe parametry termodynamiczne czynnika mogą się zmieniać. Procesy izobaryczne mogą zachodzić zarówno w sposób odwracalny, jak i nieodwracalny. Odwracalny proces izobaryczny przedstawia na wykresie krzywa zwana izobarą. Praca wykonana przez układ (lub nad układem) w odwracalnym procesie izobarycznym jest równa ubytkowi (lub przyrostowi) entalpii układu. W szczególności, gdy jedyny wkład do pracy stanowi praca objętościowa (polegająca na zmianie objętości układu), jest ona wyrażona wzorem

Przemiana izochoryczna – proces termodynamiczny zachodzący przy stałej objętości (V = const). Oprócz objętości wszystkie pozostałe parametry termodynamiczne mogą się zmieniać.

Obiegi porównawcze składające się z przemian charakterystycznych, nie uwzględniających np. strat ciśnienia, czy przyrostu entropii czynnika. Przykładami obiegów porównawczych są obieg Rankine'a (obieg porównawczy siłowni parowej), obieg Braytona-Joule'a (obieg porównawczy siłowni gazowej), obieg Joule'a (obieg porównawczy ziębiarki gazowej), obieg Lindego (obieg porównawczy ziębiarki parowej), obieg Otta (obieg porównawczy silnika spalinowego tłokowego o zapłonie iskrowym), obieg Diesla (obieg porównawczy silnika spalinowego tłokowego o zapłonie samoczynnym), i inne.

Dolne źródło ciepła (niezależnie od fizycznego położenia) to zbiornik (źródło) ciepła, do którego oddawane jest ciepło odpadowe obiegu termodynamicznego (w silnikach cieplnych) lub z którego pobierane jest ciepło (w maszynach cieplnych roboczych realizujących pełny obieg termodynamiczny).

Ciśnienie to wielkość skalarna określona jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni podzielona przez powierzchnię na jaką ona działa, co przedstawia zależność:

Przemianami charakterystycznymi, z których zwykle złożony jest obieg porównawczy, są: przemiana izobaryczna, przemiana izotermiczna, przemiana izochoryczna i przemiana adiabatyczna.

Realizowane w technice obiegi rzeczywiste różnią się od obiegów porównawczych np. stratą ciśnienia w kotle parowym czy komorze spalania (przemiana nie jest przemianą izobaryczną - następuje spadek ciśnienia), bądź przyrostów entropii w sprężarkach, pompach, turbinach (sprężanie i rozprężanie adiabatyczne nie jest izentropowe), i innych.

Przemiana izotermiczna - w termodynamice przemiana, zachodząca przy określonej, stałej temperaturze. Krzywa opisująca przemianę izotermiczną nazywana jest izotermą.

Ekspansja – proces termodynamiczny polegający na zwiększaniu się objętości układu z wykonywaniem przez układ pracy. Rezultatem adiabatycznej ekspansji gazu jest obniżenie się jego temperatury. Procesem odwrotnym do ekspansji jest kompresja.