Termodynamiska cykler

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 6 december 2019; verifiering kräver 1 redigering .

Termodynamiska cykler är cirkulära processer inom termodynamiken , det vill säga sådana processer där de initiala och slutliga parametrarna som bestämmer arbetsvätskans tillstånd ( tryck , volym , temperatur och entropi ) sammanfaller.

Termodynamiska cykler är modeller av processer som sker i riktiga värmemotorer för att omvandla värme till mekaniskt arbete .

Komponenterna i någon värmemotor är en arbetsvätska , en värmare och ett kylskåp (med hjälp av vilka tillståndet för arbetsvätskan ändras).

En cykel kallas reversibel , som kan utföras både framåt och i motsatt riktning i ett slutet system . Systemets totala entropi under passagen av en sådan cykel förändras inte. Den enda reversibla cykeln för en maskin där värmeöverföring endast sker mellan arbetsvätskan, värmaren och kylaren är Carnot-cykeln . Det finns också andra cykler (till exempel Stirling - och Ericsson-cykeln genom att införa en extra värmereservoar - en regenerator. Vanligt (dvs dessa cykler är ett specialfall) för alla dessa cykler med regenerering är Reitlinger-cykeln . Det kan visas (se artikel Carnot Cycle ) att reversibla cykler är de mest effektiva.

Grundläggande principer

Direkt omvandling av termisk energi till arbete är förbjuden enligt Thomsons postulat (se termodynamikens andra lag ). Därför används termodynamiska cykler för detta ändamål .

För att kontrollera arbetsvätskans tillstånd inkluderar en värmemotor en värmare och ett kylskåp. I varje cykel tar arbetsvätskan en viss mängd värme ( ) från värmaren och ger mängden värme till kylskåpet. Det arbete som värmemotorn utför i en cykel är alltså lika med $F_1$ $F_{2}$

A=(Q_{1}-Q_{2})-\Delta U=Q_{1}-Q_{2}

eftersom förändringen i intern energi i en cirkulär process är noll (detta är en tillståndsfunktion ). $U$

Kom ihåg att arbete inte är en tillståndsfunktion, annars skulle det totala arbetet per cykel också vara noll.

I detta fall har värmaren förbrukat energi . Därför är den termiska, eller, som det också kallas, den termiska eller termodynamiska verkningsgraden för en värmemotor (förhållandet mellan användbart arbete och förbrukad termisk energi) lika med $F_1$

\eta ={\frac {A}{Q_{1}}}={\frac {Q_{1}-Q_{2}}{Q_{1}}}

Beräkning av arbete och effektivitet i en termodynamisk cykel

Arbete i en termodynamisk cykel är per definition lika med

A=\oint _{C}PdV

var är cykelns kontur. $C$

Å andra sidan, i enlighet med termodynamikens första lag , kan man skriva

A=\oint _{C}\delta Q-dU=\oint _{C}\delta Q=\oint _{C}TdS

På liknande sätt är mängden värme som överförs av värmaren till arbetsvätskan

Q_{1}=\int _{A\rightarrow B}\delta Q=\int _{A\rightarrow B}TdS

Detta visar att de mest bekväma parametrarna för att beskriva tillståndet för arbetsvätskan i den termodynamiska cykeln är temperatur och entropi.

Carnot-cykeln och den maximala effektiviteten för en värmemotor

Huvudartikel: Carnot-cykel .

Föreställ dig följande slinga:

Fas A→B . Arbetsvätskan med en temperatur som är lika med värmarens temperatur bringas i kontakt med värmaren. Värmaren ger värme till arbetsvätskan i en isoterm process (vid en konstant temperatur), medan volymen av arbetsvätskan ökar. $Q_{1}=T_{H}(S_{2}-S_{1})$

Fas B→C . Arbetsvätskan lösgörs från värmaren och fortsätter att expandera adiabatiskt (utan värmeväxling med omgivningen). Samtidigt sjunker dess temperatur till temperaturen i kylskåpet.

Fas V→G . Arbetsvätskan bringas i kontakt med kylaren och överför värme till den i en isoterm process. Samtidigt minskar volymen av arbetsvätskan. $Q_{2}=T_{X}(S_{2}-S_{1})$

Fas G→A . Arbetsvätskan komprimeras adiabatiskt till sin ursprungliga storlek och dess temperatur höjs till värmarens temperatur.

Dess effektivitet är således

\eta ={\frac {Q_{1}-Q_{2}}{Q_{1}}}={\frac {T_{H}(S_{2}-S_{1})-T_{ X}(S_{2}-S_{1})}{T_{H}(S_{2}-S_{1})}}={\frac {T_{H}-T_{X}}{T_{ H}}}

det vill säga, det beror bara på temperaturerna i kylskåpet och värmaren. Det kan ses att 100 % effektivitet endast kan uppnås om kylskåpstemperaturen är absolut noll, vilket är ouppnåeligt.

Det kan visas att Carnot-värmemotorns verkningsgrad är maximal i den meningen att ingen värmemotor med samma värmare och kylare kan vara mer effektiv.

Observera att effekten hos Carnot-värmemotorn är noll, eftersom värmeöverföringen i frånvaro av temperaturskillnad är oändligt långsam.

Se även

Länkar

Litteratur

Bazarov I.P. Termodynamik. (otillgänglig länk) M.: Higher school, 1991, 376 sid.
Bazarov IP Vanföreställningar och fel i termodynamiken. Ed. 2:a rev. M.: Redaktionell URSS, 2003. 120 sid.
Dyskin L.M., Puzikov N.T. Beräkning av termodynamiska cykler.
Kvasnikov IA Termodynamik och statistisk fysik. V.1: Teori om jämviktssystem: Termodynamik. Vol.1. Ed. 2, rev. och ytterligare M.: URSS, 2002. 240 sid.
Sivukhin DV Allmän kurs i fysik. - M . : Nauka , 1975. - T. II. Termodynamik och molekylär fysik. — 519 sid.
Aleksandrov AA Termodynamiska grunderna för cykler för värmekraftverk. MPEI Publishing House, 2004.

Termodynamik
Delar av termodynamiken	Termodynamikens principer Tillståndsekvation Termodynamiska storheter Termodynamiska potentialer Termodynamiska cykler Fasövergångar Fasövergångar av det första slaget Fasövergångar av det andra slaget Termodynamik utan jämvikt
Termodynamikens principer	Termodynamikens allmänna princip Termodynamikens första lag Termodynamikens andra lag Termodynamikens tredje lag