Obiegi - wprowadzenie

1

OBIEGI - WPROWADZENIE

Obieg – jest to układ termodynamiczny, w którym niezmienna ilość czynnika okresowo powraca do stanu wyjściowego.

Celem realizacji obiegu jest uzyskanie pracy, która może być przekazana na zewnątrz i wykorzystana np. do napędu układów mechanicznych.

Realizacja obiegu wymaga doprowadzenia i odprowadzenia ciepła. W wyniku realizacji obiegu uzyskuje się pracę, przekazywaną na zewnątrz układu, w którym obieg jest realizowany.

Wielkością charakteryzującą obieg jest sprawność obiegu – w teoretycznych obiegach silnikowych nazywana sprawnością teoretyczną t.

Jest definiowana następująco:

Q  Q

Q

d

o

o

 

 1

,

t

Q

Q

d

d

gdzie: Qd – ciepło doprowadzone do biegu (na wykresie T-S przedstawia je pole a-b-1-c-d), Qo – ciepło odprowadzone z obiegu (na wykresie T-S przedstawia je pole a-b-2-c-d).

Różnica ciepła doprowadzonego do obiegu i ciepła odprowadzonego z obiegu jest zamieniana na pracę uzyskiwaną w wyniku realizacji obiegu.

L  Q  Q

d

o

Potwierdza to pierwsza zasada termodynamiki:

U

  Q  L

gdzie: ΔU – przyrost energii wewnętrznej czynnika,

Q = Qd - |Qo| - ciepło obiegu,

L – praca obiegu.

Opracowanie: Ewa Fudalej - Kostrzewa

Obiegi - wprowadzenie

2

W wyniku realizacji obiegu przyrost energii wewnętrznej czynnika wynosi zero (ΔU = 0), a zatem ciepło obiegu jest równe pracy obiegu:

Q = L

Sprawność obiegu teoretycznego można zatem zapisać następująco:



d

Q

o

Q

L

 



t

d

Q

d

Q

Podczas realizacji obiegu gaz podlega sprężaniu, czemu towarzyszy zmniejszenie objętości gazu oraz rozprężaniu, czemu towarzyszy zwiększenie objętości gazu. Proces sprężania jest realizowany w wyniku przyłożenia do tłoka z zewnątrz siły, potrzebnej do przesunięcia tłoka w kierunku zmniejszającej się objętości gazu, czyli doprowadzenia pracy z zewnątrz Lz (na wykresie p-V przedstawia ją pole 1-2-b-3-4). Proces rozprężania jest realizowany w wyniku nacisku gazu w cylindrze na tłok, czego efektem jest powstanie siły przesuwającej tłok w kierunku zwiększenia objętości i wykonanie pracy przez gaz Lw (na wykresie p-V

przedstawia ją pole 1-2-a-3-4). Różnica tych prac jest równa pracy obiegu: L  L  L

w

z

Teoretyczne obiegi silnikowe są realizowane w cylindrze zamkniętym ruchomym tłokiem, w warunkach quasistatycznych. Ciepło jest doprowadzane do czynnika znajdującego się wewnątrz cylindra przez ścianki cylindra i odprowadzane na zewnątrz również przez ścianki cylindra. W teorii silników spalinowych są rozważane teoretyczne obiegi Otto, Diesla i Sabathe.

W rozważaniach termodynamicznych obiegi te są porównywane z obiegiem Carnota, który w danym zakresie temperatur charakteryzuje się największą sprawnością.

Dla wszystkich teoretycznych obiegów silnikowych jest charakterystyczne, że:

- proces sprężania odbywa się izentropowo,

- proces rozprężania odbywa się izentropowo,

- odprowadzenie ciepła z obiegu odbywa się izochorycznie.

Różny jest sposób doprowadzenia ciepła. I tak:

-w obiegu Otto ciepło jest doprowadzane izochorycznie,

- w obiegu Diesla ciepło jest doprowadzane izobarycznie,

- w obiegu Sabathe ciepło jest doprowadzane w dwóch częściach – jedna część ciepła jest doprowadzana izochorycznie a druga izobarycznie,

W obiegu Carnota ciepło jest doprowadzane i odprowadzane izotermicznie, a proces sprężania i rozprężania odbywa się izentropowo, tak samo jak w teoretycznych obiegach silnikowych.

Opracowanie: Ewa Fudalej - Kostrzewa