background image

Przemiany gazu doskonałego 

 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 
 

CZĘŚĆ 1 

 

UWAGI WSTĘPNE 

 

Przemianą gazu zawartego w układzie nazywa się ciągłą zmianę jego stanu 

termodynamicznego 

(określanego przez parametry stanu gazu, którymi są: ciśnienie, 

temperatura, objętość właściwa). Do bliższego określenia przemiany nie wystarczy znajomość 

stanu początkowego i końcowego. Należy również podać, w jaki sposób ta przemiana dokonuje 

się. Sposób zmiany stanu termodynamicznego odwzorowany w odpowiednim układzie 

parametrów stanu wyznacza krzywą, którą nazywa się drogą przemiany. 

Przemia

ny mogą odbywać się w układach zamkniętych i w układach otwartych. Za 

układ zamknięty uznaje się układ o stałej ilości substancji (czynnika termodynamicznego) w nim 

zawartej, przy czym substancja do niego nie dopływa ani z niego nie odpływa. Układ, przez 

k

tóry przepływa substancja jest otwarty. Przykładem przemiany w układzie zamkniętym może 

być ogrzewanie gazu w zamkniętym zbiorniku lub rozprężanie gazu w cylindrze maszyny 

tłokowej z zamkniętymi zaworami. Przemianę w układzie otwartym stanowi przepływ gazu 

rurociągu. 

Przemiany mogą być odwracalne i nieodwracalne. W przemianie odwracalnej po 

dokonaniu przemiany jest możliwy powrót do stanu wyjściowego układu i otoczenia. Jeśli 

powrót układu do stanu wyjściowego jest związany ze skończonymi zmianami w stanie 

otoczenia to układ podlega przemianie nieodwracalnej.  

Rozważane będą przemiany gazów doskonałych odbywające się w układach 

zamkniętych, odwracalne, charakteryzujące się stałym ciepłem właściwym (przemiany 

politropowe). 

Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki stan termodynamiczny czynnika w układzie 

zamkniętym można zmienić przez wymianę z otoczeniem energii w postaci pracy lub ciepła. 

Pomiędzy dwoma stanami czynnika termodynamicznego można zrealizować 

nieskończenie wiele przemian termodynamicznych. Zmiana sposobu przejścia pomiędzy 

obydwoma stanami powoduje zmianę ilości wykonanej pracy oraz zmianę ilości pochłoniętego 

ciepła. Jeżeli rozpatrywana przemiana przebiega w układzie zamkniętym, to różnica wykonanej 

pracy i ciepła pochłoniętego przez czynnik jest niezależna od drogi przemiany, gdyż zgodnie 

równaniem pierwszej zasady termodynamiki, wyraża ona spadek energii wewnętrznej. 

Praca wymieniana z otoczeniem jest przedstawiana w układzie współrzędnych p – v 

zwanym wykresem pracy 

a ciepło wymieniane z otoczeniem jest przedstawiane w układzie 

współrzędnych T – s zwanym wykresem ciepła (gdzie s jest oznaczeniem entropii).  

 

 

background image

Przemiany gazu doskonałego 

 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 
 

ENTROPIA 

Entropia jest kolejną, oprócz energii wewnętrznej i entalpii, funkcją stanu 

termodynamicznego. Będzie wykorzystana do wprowadzenia wykresu przemiany w układzie 

współrzędnych temperatura bezwzględna – entropia, zwanego wykresem ciepła. Entropia jest 

określana zależnością: 

T

dQ

dS

  

i ma wymiar [J/K]. 

W odniesieniu do 1 kg czynnika jest zapisywana następująco: 

T

dq

ds

 

i ma wymiar [J/(kg∙K)]. 

W powyższym wyrażeniu dq przedstawia pewną skończoną porcję ciepła, a T średnią 

temperaturą tego ciepła.  

W obliczeniach przyjmuje się zwykle, że entropia ciała jest równa zeru wtedy, gdy ciało 

ma temperaturę 273 K i znajduje się pod ciśnieniem 101325 Pa. 

 

 

Wykres ciepła – układ współrzędnych T-s 

Krzywa A - 

B przedstawia dowolną zmianę stanu układu w układzie współrzędnych T – s. 

Jeśli wyodrębnić elementarne pole o podstawie ds i średniej rzędnej T, to elementarny przyrost 

ciepła dq będzie reprezentować pole stanowiące iloczyn T∙ds: 

ds

T

dq

 

Wtedy 

przyrost energii układu dostarczonej za pośrednictwem ciepła z otoczenia po drodze A-B 

będzie równy: 

B

A

AB

ds

T

q

 

Ten przyrost energii przedstawi

a pole zakreskowane pod krzywą A-B. W przypadku 

dodatniego przyrostu entropii pole pod krzywą przedstawia ciepło dostarczone do 

background image

Przemiany gazu doskonałego 

 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 
 

układu, a w przypadku ujemnego przyrostu entropii pole pod krzywą A-B przedstawia 

ciepło oddane przez układ do jego otoczenia.  

Pojęcie entropii jest trudne do prostego zdefiniowania. Względnie łatwo jest obliczyć jej 

zmiany. Treść fizyczna entropii w termodynamice fenomenologicznej

1

 (tutaj rozpatrywanej) 

sprowadza się do takiej funkcji stanu, która w procesie termodynamicznym (quasistatycznym) 

równa się stosunkowi ciepła pobranego przez układ w temperaturze bezwzględnej, do tej 

temperatury, czyli: 

T

dq

ds

 

Zakładając, że dq przedstawia skończoną porcję ciepła otrzymuje się: 

T

q

s

 

Jeśli Δq będzie dzielić się przez niewielką liczbę stopni temperatury T, to przyrost Δs będzie 

duży; natomiast gdy liczba stopni jest duża, to przyrost Δs jest mały. A zatem, przyrost entropii 

Δs jest miarą jakości wkładu ciepła

Δs duże – zła lokata ciepła, marnowanie jakości energii cieplnej, 

Δs małe – ciepło ulokowane korzystnie. 

A zatem, ciepło należy doprowadzać przy jak najwyższej temperaturze.  

 

 

PRZEMIANA POLITROPOWA 

 

WYPROWADZE

NIE RÓWNANIA PRZEMIANY POLITROPOWEJ 

Przemiana politropowa charaktery

zuje się tym, że ciepło właściwe podczas przemiany jest 

stałe: 

.

const

dT

dq

c

 

Równanie przemiany politropowej we współrzędnych p-v można wyprowadzić 

 z I zasady termodynamiki: 

dv

p

dT

c

dq

v

 

Ponieważ dla politropy:  

dT

c

dq

więc: 

0

dv

p

dT

c

dT

c

v

 

                                                 

1

 Termodynamika fenomenologiczna 

– metoda badań zjawisk termodynamicznych polegająca na badaniu związków 

między wielkościami makroskopowymi badanego układu termodynamicznego: temperaturą, ciśnieniem, energią, nie 
wnikając w mikrostrukturę czynnika. 

background image

Przemiany gazu doskonałego 

 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 
 

lub: 

0

)

(

dv

p

dT

c

c

v

 

(1) 

Z równania stanu: 

R

pv

d

dT

)

(

 

Po podstawieniu do (1) otrzymuje się: 

0

)

(

)

(

dv

p

R

pv

d

c

c

v

 

lub: 

dv

p

pv

d

R

c

c

v

 

(2) 

Ponieważ: 

v

p

c

c

R

 

to wyrażenie : 

R

c

c

v

 

można przekształcić do postaci 

v

p

v

p

c

v

v

v

p

v

v

p

v

p

v

v

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

R

c

c

1

1

1

1

1

 

Oznaczając: 

n

c

c

c

c

v

p

 

(3) 

gdyż jest to wielkość stała dla danej przemiany, otrzymuje się: 

n

R

c

c

v

1

1

 

Stąd po podstawieniu do (2) i dokonaniu przekształceń: 

p

v

dv

p

n

dp

v

dv

p

n

dp

v

n

n

dv

p

n

dp

v

n

n

dv

p

dp

v

n

dv

p

dv

p

dp

v

n

dv

p

pv

d

n

/

0

/

0

)

1

(

/

0

)

1

1

(

1

1

1

1

0

)

1

1

1

(

1

1

0

)

(

1

1

0

)

(

1

1

 

otrzymuje się równanie różniczkowe politropy: 

0

v

dv

n

p

dp

 

(4) 

Po scałkowaniu równania (4) otrzymuje się: 

background image

Przemiany gazu doskonałego 

 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 
 

0

ln

ln

1

2

1

2

p

p

v

v

n

 

lub: 

n

n

v

p

v

p

2

2

1

1

 

(5) 

Wykorzystując równanie stanu gazu można otrzymać inną postać tego równania. Podstawiając 
do równania (5): 

v

T

R

p

 

i dokonując przekształceń: 

n

n

v

v

T

R

v

v

T

R

2

2

2

1

1

1

 

otrzymuje się: 

)

1

(

2

2

)

1

(

1

1

n

n

v

T

v

T

 

(6) 

 
Podstawiając do równania (5): 

p

T

R

v

 

i dokonując przekształceń: 

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

p

T

p

T

T

p

T

p

p

T

R

p

p

T

R

p

1

2

2

1

1

1

2

)

1

(

2

1

)

1

(

1

2

2

2

1

1

1

/

 

otrzymuje się 

n

n

n

n

p

T

p

T

1

2

2

1

1

1

 

(7) 

 

 

CIEPŁO WŁAŚCIWE PRZEMIANY POLITROPOWEJ 

Wykorzystując definicję wykładnika politropy (3) można otrzymać zależność pozwalającą 

obliczyć wartość ciepła właściwego przemiany, jeśli jest znany wykładnik politropy n: 

 

)

(

)

(

)

1

(

)

(

/

k

n

c

c

c

n

c

c

c

n

n

c

c

c

c

n

c

n

c

c

c

c

c

c

n

v

v

p

v

p

v

p

v

v

v

p

 

Stąd: 

1

)

(

n

k

n

c

c

v

 

Ciepło właściwe może mieć wartość ujemną. Czynnik termodynamiczny ma ujemną 

pojemność cieplną (ciepło właściwe) wówczas, gdy mimo doprowadzenia ciepła temperatura 

background image

Przemiany gazu doskonałego 

 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 
 

czynnika obniża się lub mimo odprowadzenia ciepła temperatura podwyższa się. Taka sytuacja 

ma miejsce w sprężarkach – mimo odbierania ciepła temperatura gazu przy rozprężaniu 

podwyższa się. W chłodzonych sprężarkach występuje więc przemiana o ujemnej pojemności 

cieplnej. 

 

CIEPŁO PRZEMIANY POLITROPOWEJ 

 

)

(

1

2

2

,

1

T

T

c

q

 

 

ENERGIA WEWNĘTRZNA 

Zgodnie z definicją: 

)

(

1

2

2

,

1

T

T

c

u

v

 

 
ENTALPIA 
Zgodnie z definicją: 
 

)

(

1

2

2

,

1

T

T

c

i

p

 

Uwzględniając, że: 

v

p

c

k

c

 

otrzymuje się: 

2

,

1

1

2

2

,

1

u

k

T

T

c

k

i

v

 

ENTROPIA 

Z definicji entropii: 

T

dq

ds

 

Po scałkowaniu: 

2

1

1

2

2

1

1

2

ln

T

T

c

T

dT

c

T

dq

s

s

 

1

2

1

2

ln

T

T

c

s

s

 

lub po podstawieniu: 

1

)

(

n

k

n

c

c

v

 

o

trzymuje się: 

1

2

1

2

ln

1

T

T

n

k

n

c

s

s

v

 

 

 

background image

Przemiany gazu doskonałego 

 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 
 

PRACA W PRZEMIANIE POLITROPOWEJ 

UMOWA DOTYCZĄCA ZNAKU PRACY 

wg: Bogumił Staniszewski „Termodynamika”, Stefan Wiśniewski „Termodynamika techniczna”, 

Jan Szargut „Termodynamika” 

Praca wykonana przez układ ma znak dodatni, wykonana zaś przez otoczenie nad 

układem jest ujemna. 

 

Praca absolutna 

(praca zmiany objętości) 

Praca zmiany objętości jest dodatnia podczas ekspansji 

(zwiększania objętości) dv>0, a ujemna podczas kompresji 

(zmniejszania objętości) dv<0. 

 

2

1

2

,

1

dv

p

l

a

 

 

 

Praca techniczna 

Pr

aca techniczna jest dodatnia przy rozprężaniu dp<0, 

ujemna przy sprężaniu dp>0 (dlatego znak minus przed 

całką). 

 

2

1

dp

v

l

t

 

 

PRACA ABSOLUTNA  

Równanie politropy: 

....

2

2

1

1

n

n

n

v

p

v

p

v

p

stąd: 

1

1

p

v

v

p

n

n

 

Praca absolutna: 

 

 

 

 

 

 

lub po podstawieniu: 

1

1

2

2

)

1

(

1

1

)

1

(

2

2

1

1

1

1

1
2

2

2

1

1

1

1

1
2

1

1

1

1

1
2

2

1

1

1

1

1

2

1

1

1

2

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

v

p

v

p

n

v

p

v

p

n

v

v

p

v

v

p

n

v

v

p

v

v

p

n

v

v

n

v

p

dv

v

v

p

dv

v

v

p

dv

p

l

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

a

 

 

background image

Przemiany gazu doskonałego 

 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 
 

T

R

v

p

 

otrzym

uje się: 

)

(

1

1

2

T

T

n

R

l

a

 

A zatem: 

)

(

1

1

1

1

2

1

1

2

2

T

T

n

R

v

p

v

p

n

l

a

 

 

PRACA TECHNICZNA 

Równanie politropy: 

....

2

2

1

1

n

n

n

v

p

v

p

v

p

stąd: 

1

1

1

1

v

p

p

v

n

n

 

Praca techniczna: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lub po podstawieniu: 

T

R

v

p

 

otrzym

uje się: 

)

(

1

1

2

T

T

n

R

n

l

t

 

A zatem: 

a

t

l

n

T

T

n

R

n

v

p

v

p

n

n

l

)

(

1

1

1

2

1

1

2

2

 

 

 

I. ZASADA TERMODYNAMIKI 

dla układów zamkniętych: 

2

,

1

1

2

2

,

1

A

L

U

U

Q

 

1

1

2

2

1

1

2

2

1

1

1

1

1

1

2

1

1

1

1

1

1

2

1

1

1

1

1

1

2

1

1

1

1

1

1

1

2

1

1

1

2

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

1

1

1

1

1

2

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

1

v

p

v

p

n

n

v

p

v

p

n

n

p

v

p

p

v

p

n

n

p

p

n

n

v

p

p

p

n

n

v

p

p

p

n

v

p

n

p

v

p

dp

p

v

p

p

dp

v

p

dp

v

l

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

p

p

n

n

n

n

n

n

t

background image

Przemiany gazu doskonałego 

 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 
 

albo: 

2

,

1

2

,

1

2

,

1

A

L

Q

U

 

- dla 

układów otwartych: 

2

,

1

1

2

2

,

1

t

L

I

I

Q

 

albo: 

2

,

1

2

,

1

2

,

1

t

L

Q

I

 

 

 

Wykres przemiany politropowej 

(przykładowy) 

Na  rysunku  poniżej  jest  przedstawiona  przemiana  politropowa  o  wykładniku  1<n<k 

układzie współrzędnych p - v i T – s. 

 

Przebieg przemiany politropowej 

o wykładniku 1<n<k w układach: a) p – v, b) T – s 

 

Na wykresie p 

–v są oznaczone pola pracy absolutnej l

a1,2

 (dodatniej, wykonanej przez gaz) 

i pracy technicznej l

t1,2

 (dodatniej), a na wykresie T 

– s jest oznaczone pole ciepła przemiany 

q

1,2

 (dodatnie 

– dostarczone z zewnątrz). 

Na wykresie T 

– s można również znaleźć: 

- pole przyrostu 

energii wewnętrznej – jest to pole pod logarytmiką v=const. przechodzącą 

przez punkt 

o wyższej energii wewnętrznej (w tym przykładzie jest to punkt 1 i logarytmika v

1

przecinającą izotermę przechodzącą przez punkt o niższej energii wewnętrznej (punkt 2 

i izoterma T

2

– pole b,d,1,s

1

 

(w tym przykładzie – ujemny przyrost energii wewnętrznej), 

- pole przyrostu entalpii - 

jest to pole pod logarytmiką p=const. przechodzącą przez punkt 

wyższej entalpii (w tym przykładzie jest to punkt 1 i logarytmika p

1

) i 

przecinającą izotermę 

przechodzącą przez punkt o niższej entalpii (punkt 2 i izoterma T

2

– pole a,c,1,s

1

 (w tym 

przykładzie – ujemny przyrost entalpii),

 

- po

le pracy absolutnej (w tym przykładzie wykonanej przez gaz – dodatniej) – pole b,d,1,2,s

2

), 

- pole pracy technicznej (dodatniej) 

– pole a,c,1,2,s

2

), 

pole energii umieszczenia (energii przetłaczania) – pole a,c,1,d,b. 

background image

Przemiany gazu doskonałego 

 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 
 

10 

Przebieg przemiany politropowej na wykresach p 

– v i T – s zależy od wykładnika 

politropy.  

 

Przemiany politropowe na wykresie p 

– v 

 

Przemiany politropowe na wykresie T 

– s 

 

 

 

ZADANIA 

ZADANIE 1 
Powietrze o masie M=1,5 kg, ciśnieniu p

1

=0,9 bar, temperaturze t

1

=18 C zostało sprężone do 

ciśnienia p

2

=10 bar, przy czym temperatura wzrosła do t

2

=125 C. Obliczyć wykładnik politropy, 

objętość końcową, pracę absolutną i techniczną, ciepło przemiany oraz zmianę energii 
wewnętrznej i entalpii. Stała gazowa powietrza: R=287 J/kg*K, k=c

p

/c

v

=14 

Odp.: n=1,148, V

2

=0,171 m

3

, L

a

=-311 kJ, L

t

=-357 kJ, Q=-196 kJ,  U=115 kJ,  I=161,2 kJ 

 
 
ZADANIE 2 
Powietrze o temperaturze t

1

=20 C jest sprężane w sprężarce według politropy o wykładniku 

n=1,2 od ciśnienia p

1

=0,1 MPa do ciśnienia p

2

=1 MPa. Obliczyć parametry końcowe przemiany, 

pracę absolutną, pracę techniczną, ciepło właściwe, ciepło przemiany, zmianę entropii. 
R=287 J/kg*K, k= c

p

/c

v

 =1,4. 

Odp.: T

2

=430 K, v

2

=0,123 m

3

/kg, l

a

=-196,6 kJ/kg, l

t

=-236 kJ/kg, c=-717,5 j/kg*K, 

q=-98,3 kJ/kg,  s=-275 J/kg*K