Referat z fizyki (przemiana adiabatyczna, równania Poissona, cykl Carnota, sprawność silnika cieplnego, druga zasada termodynamiki)

· PRZEMIANA ADIABATYCZNA (zmiana stanu fizycznego gazu)
W przypadku przemiany adiabatycznej zmianę ciśnienia gazu powoduje nie tylko zmiana objętości, ale również zmiana jego temperatury. Więc przy takim samym zmniejszaniu (zwiększaniu) objętości gazu, jego ciśnienie w przemianie adiabatycznej wzrasta (maleje) bardziej niż w przemianie izotermicznej, spowodowane jest, bowiem dodatkowo zmianą temperatury gazu w tej przemianie.
W urządzeniach, w których wykorzystywana jest adiabatyczna przemiana gazu, stosuje się możliwie najlepszą izolację cieplną.
Przy słabej izolacji naczynia z gazem możemy również przeprowadzić przemianę adiabtyczną, jeśli tylko zmiany objętości dokonamy na tyle szybko, aby w czasie przemiany nie zdążyła zajść wymiana ciepła z otoczeniem.
W takiej przemianie Q = 0 , wiec zmiana energii wewnętrznej gazu musi być równa pracy wykonanej nad gazem przez siły zewnętrzne:
DU = W
Podsumowując przemiana adiabatyczna to proces termodynamiczny, podczas którego układ nie oddaje i nie pobiera ciepła. Proces adiabatyczny realizuje się bądź przez izolowanie cieplne układu, bądź przeprowadzając go bardzo szybko (np. rozprężanie gazów w silniku o wewnętrznym spalaniu). Jeśli w procesie adiabatycznym układ wykonuje pracę, to odbywa się to kosztem energii wewnętrznej układu, zatem temperatura jego obniża się (wykorzystywane do otrzymywania niskich temperatur).

Przemianą adiabatyczną nazywamy przemianę zachodzącą bez wymiany ciepła z otoczeniem (dQ=0). Stosując I zasadę termodynamiki do 1 mola gazu doskonałego w przypadku przemiany adiabatycznej można napisać:
CvdT=-pdV
gdzie: Cv-ciepło molowe, dT- przyrost temperatury, dV- przyrost objętości
Korzystając z równania Clapeyrona, równanie to sprowadzamy do postaci:
CvdT=-RT:V* dV
zaś po podzieleniu przez CvT otrzymujemy:
dT:T=-R:Cv* dV:V
lub jeśli wyrazimy T za pomocą p. i V:
pV=const.
Równania powyższe noszą nazwę równań Poissona dla procesu adiabatycznego. Z równań tych wynika, że podczas tej przemiany zmieniają się wszystkie trzy parametry stanu: p, V i T.


· CYKL CARNOTA
Francuski inżynier Sadi Carnot jako pierwszy opracował teoretyczne podstawy silnika cieplnego pracującego na zasadzie procesu cyklicznego. Proces ten został nazwany cyklem Carnota. Składa się on z dwóch przemian izotermicznych i adiabatycznych.
Cykl Carnota to uproszczony, zamknięty cykl przemian termodynamicznych wyidealizowanego, odwracalnego, quasi-statycznego silnika cieplnego. Składa się z dwóch izoterm i dwóch adiabat.
Silnik działający zgodnie z cyklem (izoterm i dwóch adiabat) Carnota składałby się ze ścianek cylindra i tłoka wykonanych z doskonałego izolatora ciepła i zamkniętego dnem cylindra, będącego idealnym przewodnikiem ciepła. Dno kontaktowałoby się kolejno - z izolatorem ciepła (podczas sprężania adiabatycznego), zbiornikiem ciepła o wyższej temperaturze (rozprężanie izotermiczne), izolatorem ciepła (rozprężanie adiabatyczne) i zbiornikiem ciepła o niskiej temperaturze-chłodnicy (sprężanie izotermiczne).
W = Q1 – Q2

Wypadkowa praca w cyklu zamkniętym jest równa różnicy ciepła pobranego ze źródła o temperaturze wyższej i ciepła oddanego chłodnicy o temperaturze niższej. Innymi słowy, w tym zamkniętym cyklu substancja robocza transportuje energię wewnętrzną ze źródła do chłodnicy, część tej energii wewnętrznej zmienia na pracę mechaniczną.

Przemiany w cyklu Carnota zachodzące w odwrotnym kierunku zamieniają silnik w maszynę chłodniczą lub tzw. pompę cieplną.

· SPRAWNOŚĆ SILNIKA CIEPLNEGO
SILNIK CIEPLNY, urządzenie do przetwarzania energii cieplnej na energię mechaniczną, silnik cieplny pobiera ciepło ze źródła o temperaturze wyższej (ciepło spalania paliwa w silniku spalinowym lub w turbinie), przetwarza jego część na pracę mech., a resztę oddaje w chłodnicy; proces odbywa się z udziałem czynnika termodynamicznego (np. spalin, pary wodnej); praca silnika cieplnego przebiega zgodnie z zasadami termodynamiki; do silników cieplnych należą m.in. silniki tłokowe parowe i spalinowe oraz turbiny cieplne.
Silniki cieplne mają za zadanie przekształcić energię wewnętrzną w energię mechaniczną. Najczęściej ciepło pochodzące ze spalania paliwa jest dostarczane do gazu roboczego, który rozprężając się wykonuje pracę wprawiając w ruch jakiś mechanizm. Rozprężanie gazu nie może się odbywać nieograniczenie, ponieważ silnik ma skończone rozmiary. Dlatego gaz musi być z powrotem sprężony, tak, aby wszystkie części silnika wróciły do stanu wyjściowego. Po czym cykl przemian powtarza się i za każdym razem silnik wykonuje pracę. Taki proces termodynamiczny, po którym układ wraca do stanu wyjściowego, po wykonaniu szeregu pośrednich przemian, nazywamy cyklem termodynamicznym lub procesem kół.

Silnik parowy, parowy silnik tłokowy, silnik cieplny. Wewnętrzna energia rozprężającej się pary wodnej przekształca się w nim w pracę mechaniczną za pośrednictwem tłoka poruszającego się ruchem posuwisto-zwrotnym w cylindrze, do którego doprowadza się z zewnątrz pod ciśnieniem parę wytworzoną w oddzielnym kotle. Istnieją silniki o działaniu jednostronnym lub dwustronnym oraz o pojedynczym albo kilkakrotnym rozprężaniu pary.
Silnik spalinowy, silnik cieplny spalania wewnętrznego, w którym energia spalania mieszanki paliwowo-powietrznej zamieniana jest na ruch obrotowy wału korbowego (silnik tłokowy) lub turbiny (silnik turbinowy).
Sprawnością silnika cieplnego nazywamy stosunek procentowy ilości wykonanej przez silnik pracy do ilości pobranego ze źródła ciepła.

k = W/Q1 100%

· II ZASADA TERMODYNAMIKI
Druga zasada termodynamiki - istnieje entropia będąca funkcją stanu układu, stałą w odwracalnych procesach adiabatycznych i rosnącą we wszystkich innych. Zasadę tę, zgodnie, z którą kierunek wzrostu entropii może służyć do formalnego wyróżnienia kierunku upływu czasu (wszystkie inne prawa fizyki klasycznej nie ulegają zmianie przy zamianie przyszłości z przeszłością), podał w 1850 R.J.E. Clausius, a uściślił, w 1851 Kelvin lord of Largs.

Druga zasada termodynamiki określa jednoznacznie warunki, w jakich ciepło może być zamienione w pracę.

Drugą zasadę termodynamiki formułujemy też często jako niemożliwość zbudowania perputuum mobile drugiego rodzaju. Zasada ta mówi, że niemożliwy jest taki proces, którego jedynym rezultatem byłoby pobranie ciepła ze źródła o temperaturze wyższej i zmiana w całości tego ciepła na pracę.