Technik_mechanik_okretowy_314[03].O1.05

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

Wprowadzenie

Wymagania wstępne

Cele kształcenia

Materiał nauczania

4.1. Podstawy termodynamiki

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Gazy doskonałe i rzeczywiste (pary)

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. II zasada termodynamiki. Obiegi termodynamiczne

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. SpręŜarki, gazy wilgotne, silniki i procesy spalania

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

Sprawdzian osiągnięć

6. Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik ten będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy związanej z posługiwaniem się

pojęciami z zakresu termodynamiki, a takŜe w kształtowaniu umiejętności stosowania jej
w obsłudze silników okrętowych, siłowni okrętowych, maszyn i urządzeń okrętowych.

W poradniku zamieszczono:

−

wymagania wstępne, czyli wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć juŜ ukształtowane,
aby bez problemów opanować treści nauczania w ramach jednostki modułowej
„Posługiwanie się pojęciami z zakresu termodynamiki”,

−

cele kształcenia, czyli wykaz umiejętności, jakie powinieneś nabyć podczas zajęć
w ramach tej jednostki modułowej,

−

materiał nauczania, czyli niezbędne minimum wiadomości teoretycznych, wymaganych
do opanowania treści jednostki modułowej,

−

zestaw pytań przydatnych do sprawdzenia, czy juŜ opanowałeś wymagane treści
nauczania,

−

ćwiczenia, podczas których będziesz doskonalił umiejętności praktyczne w oparciu
o

wiedzę teoretyczną, zaczerpniętą z poradnika i innych źródeł,

−

sprawdzian osiągnięć, czyli przykładowy zestaw zadań i pytań. Pozytywny wynik
sprawdzianu potwierdzi, Ŝe dobrze wykorzystałeś zajęcia i uzyskałeś niezbędną wiedzę
i umiejętności z zakresu tej jednostki modułowej,

−

wykaz literatury uzupełniającej.
Poradnik zawiera materiał nauczania składający się z 4 rozdziałów:

−

Podstawy termodynamiki,

−

Gazy doskonałe i rzeczywiste (pary),

−

II zasada termodynamiki. Obiegi termodynamiczne,

−

SpręŜarki, gazy wilgotne, silniki i procesy spalania.
Podczas wykonywania ćwiczeń korzystaj zarówno z niniejszego poradnika jak i innej

literatury dostępnej w szkole.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1.

Podstawy termodynamiki

4.1.1. Materiał nauczania

Termodynamika to nauka, która zajmuje się zagadnieniami przemian energetycznych

w  szczególności  zjawiskami  cieplnymi.  Do  niej  naleŜy  nie  tylko  badanie,  ale
i  wyjaśnianie  zjawisk,  w  których  występują  głównie  ciepło  i  praca.  Rozwój  tej  dziedziny
nauki opierał się na ilościowym i jakościowym badaniu zjawisk związanych z wydzielaniem
lub pochłanianiem ciepła.

Zjawiska te rozpatrywane w kontekście technicznym dotyczą termodynamiki technicznej.

W  Ŝyciu  codziennym  rola  termodynamiki  technicznej  jest  ogromna,  jej  rozwój  spowodował,
Ŝe ma ona wpływ zarówno na podstawowe wygody Ŝycia codziennego, jak i na projektowanie
pojazdów  międzyplanetarnych.  Dlatego  niemoŜliwe  jest, aby zagadnienia termodynamiki nie
były  znane  mechanikom  okrętowym,  którzy  w  swej  pracy  stykać  się  będą  na  co  dzień  ze
zjawiskami  cieplnymi.  Znajomość  termodynamiki  jest  konieczna  podczas  obsługi  silników
okrętowych,  a  takŜe  siłowni,  maszyn  czy  innych  urządzeń  znajdujących  się  na  statku
(grzejnych, chłodniczych).

Jednostki i miary

Cechę ciała lub zjawiska nazywa się wielkością o ile moŜna ją wyznaczyć jakościowo

i ilościowo. Wartością tej wielkości jest iloczyn wartości liczbowej i jednostki miary – jest to
opis  ilościowy  konkretnego  stanu  danej  wielkości.  W  rzeczywistości  dla  kaŜdej  wielkości
stosuje  się  wiele  jednostek  miar  co  moŜe  być  przyczyną  powstawania  błędów.  Aby  tego
uniknąć,  zgodnie  z  uchwałą  Generalnej  Konferencji  Miar,  został  ustalony  i  zalecony  do
stosowania  międzynarodowy  układ  jednostek  miar  określany  jako  układ  SI  (franc.  Système
International d'Unités). Opiera się on na siedmiu podstawowych jednostkach przedstawionych
w tabeli 1.

Tabela 1.

Podstawowe jednostki układu SI [9]

Jednostka

Nazwa

wielkości

fizycznej

Nazwa Oznaczenie

Definicja

Długość

metr

metr jest to droga, jaką światło przebywa w próŜni w czasie
1/299792458 sekundy

Masa

kilogram

kilogram jest to masa wzorca kilograma, wykonanego ze
stopu platyny (90%) z irydem (10%) w kształcie walca
o średnicy podstawy równej jego wysokości tj. 39 mm

Czas

sekunda

sekunda jest to czas równy 9192631770 okresów
promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma
nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego cezu

133

Prąd
elektryczny

amper

amper to natęŜenie prądu elektrycznego stałego, który płynąc
w  dwóch  równoległych,  prostoliniowych,  nieskończenie
długich  przewodach  o  znikomo  małym  okrągłym  przekroju,
znajdujących  się  w  próŜni  w  odległości  1  m  od  siebie;
powoduje  powstanie  między  tymi  przewodami  siły  równej
2x10

–7

N na kaŜdy metr długości tych przewodów

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Temperatura

kelwin

kelwin jest to 1/273,16 część temperatury termodynamicznej
punktu potrójnego wody

Ilość
substancji
(liczność
materii)

mol

mol

mol jest to ilość substancji występująca wtedy, gdy liczba
cząsteczek jest równa liczbie atomów zawartych w masie
0,012 kg izotopu węgla

C, tj. 6,022169x10

cząstek

Światłość

kandela

kandela to światłość, jaką ma w określonym kierunku
źródło

emitujące

promieniowanie

monochromatyczne

o częstotliwości 5,4x10

Hz i wydajności energetycznej

w tym kierunku równej 1/683 W/sr.
kandela to równieŜ światłość, jaką ma w kierunku
prostopadłym powierzchnia 1/600000m

ciała doskonale

czarnego w temperaturze krzepnięcia platyny pod ciśnieniem
101325 Pa

Zestawione jednostki są jednostkami podstawowymi, oprócz nich, stosuje się teŜ

termodynamice

jednostki

pochodne,

spójne

jednostkami

podstawowymi

i uzupełniającymi – część z nich, niezbędna do dalszej lektury tego poradnika, przedstawiona
jest w tabeli 2.

Tabela 2.

Wybrane jednostki pochodne układu SI [9]

Nazwa wielkości

fizycznej

Nazwa

Oznaczenie

Jednostka wymiarowa

Siła

niuton

⋅

Ciśnienie

paskal

⋅

Praca, ciepło,
energia

dŜul

⋅

Moc

wat

⋅

Korzystając ze wzorów w obliczeniach naleŜy pamiętać, iŜ wszystkie równania muszą

spełniać podstawowy warunek tzn. prawidłowo napisane równanie charakteryzuje się tym,
Ŝe wymiary (miana) jego lewej jak i prawej strony są jednakowe.

Nazwy i symbole wielokrotnych i podwielokrotnych jednostek miar tworzy się dodając do

nazw i jednostek odpowiedni przedrostek bądź jego oznaczenie, np.

co moŜna zapisać jako 1000 MW.

Tabela 3.

NajwaŜniejsze wielokrotności i podwielokrotności [3]

Przedrostek

Symbol

MnoŜnik

Przedrostek

Symbol

MnoŜnik

Decy

–1

Giga

Centy

–2

Mega

Mili

–3

Kilo

Mikro

–6

Hekto

Nano

–9

Deka

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przykład przeliczania jednostek:

Ciśnienie atmosferyczne mierzy się w milimetrach słupa rtęci [mmHg] Przelicz ciśnienie

wyraŜone w tych jednostkach, np. 760 mmHg na paskale.

Rozwiązanie:

Ciśnienie hydrostatyczne (tj. ciśnienie panujące w cieczy będącej w spoczynku), jakie

wywiera słup cieczy o wysokości h i gęstości

wynosi

⋅

Zatem:

hPa

1013

1,013

9,8

13,6

0,76

⋅

nienie 760 mmHg to warto

ść

1 atmosfery fizycznej, nazywa si

je tak

e ci

nieniem

normalnym.

Stany skupienia substancji – energia potrzebna do ich zmian

Tradycyjny podział wyró

nia trzy stany skupienia: stały, ciekły i gazowy. Prawie

wszystkie substancje mog

przechodzi

z jednego stanu skupienia w inny. Rozró

nia si

przy

tym nast

puj

ce przej

cia fazowe: ze stanu stałego w ciekły – topnienie, ze stanu ciekłego

w stały – krzepni

cie, ze stanu ciekłego w gazowy – parowanie, ze stanu gazowego w ciekły –

skraplanie, ze stanu stałego w gazowy – sublimacja, ze stanu gazowego w stały –
resublimacja.

Topnienie

Punktem topnienia lub temperatur

topnienia nazywamy stał

temperatur

, w której

odbywa si

topnienie i krzepni

cie substancji pod normalnym ci

nieniem.

le okre

lon

temperatur

topnienia maj

ciała o budowie krystalicznej.

Kiedy ogrzejemy lód do temperatury 0°C to zacznie on stopniowo topi

. Tak

e je

eli

ochłodzimy wod

i osi

gnie ona temperatur

0°C to ona zamarza. Dla temperatury 0°C

wyst

puje wi

c lód i woda. Rozró

nia te stany energia wewn

trzna substancji. By lód roztopił

do postaci wody nie tylko wystarczy go ogrza

do temperatury 0°C i nagle stanie si

wod

lecz kiedy osi

gnie temperatur

topnienia, nale

y dostarczy

mu odpowiedniej ilo

ci energii

by si

roztopił i otrzymujemy wod

o temperaturze 0°C. Nale

y pami

e woda i lód maj

inne ciepło wła

ciwe. Tak samo jest z innymi substancjami. Ka

da substancja ma inne ciepło

wła

ciwe w ró

nych stanach skupienia.

Ilo

ść

ciepła Q pobierana przy topnieniu jest wprost proporcjonalna do masy m topionego

ciała i zale

na od jego rodzaju:

⋅













– współczynnik proporcjonalno

ci, zwany ciepłem topnienia – okre

la ilo

ść

energii cieplnej niezb

dnej do stopienia 1 kg danego materiału, uprzednio doprowadzonego

do temperatury topnienia.

Parowanie

Stał

temperatur

, w której odbywa si

wrzenie cieczy pod normalnym ci

nieniem

atmosferycznym, nazywamy temperatur

lub punktem wrzenia. Kiedy wod

ogrzejemy do

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

temperatury 100°C to przechodzi ona w stan pary. Podczas parowania zachodzi podobny
proces jak przy topnieniu.

Ilość ciepła Q potrzebna do odparowania cieczy znajdującej się w temperaturze wrzenia

jest wprost proporcjonalna do jej masy m, a ponadto jest zaleŜna od rodzaju cieczy i ciśnienia:

⋅













– współczynnik proporcjonalności, zwany ciepłem parowania – określa ilość

energii cieplnej pobieranej przez 1 kg cieczy przy przejściu jej w parę.

Energia cieplna przechodzi zawsze z ciała cieplejszego do chłodniejszego. Zjawisko to

rozpatruje się w bilansie cieplnym.

Układ termodynamiczny

Układ termodynamiczny (system) – jest to dowolnie wybrana część fizycznego

wszechświata.  Ta  część  przestrzeni  materialnej  jest  przedmiotem  określonego  rozwaŜania,
a  ogranicza  ją  powierzchnia  materialna  bądź  abstrakcyjna.  JeŜeli  przez  powierzchnię
ograniczającą moŜliwy jest przepływ substancji materialnej, to układ taki nosi nazwę układu
otwartego. Natomiast w sytuacji, gdy wymiana masy z otoczeniem jest niemoŜliwa, to układ
jest układem zamkniętym. W układach izolowanych nie dochodzi do wymiany ani energii ani
masy. Typowe układy termodynamiczne to, np. wnętrze silnika, naczynie z gazem lub cieczą,
w którym zachodzi rozpatrywana w danej chwili przemiana.
Niekiedy układy termodynamiczne bywają bardziej skomplikowane i mogą składać się z kilku
podukładów (rysunek 1) albo mogą zawierać wewnętrzne ograniczenia.

Rys. 1.

Układ termodynamiczny składający się z dwóch podukładów:
p – ciśnienie, T – temperatura [2]

Ograniczenia układu – stanowią powierzchnie materialne lub abstrakcyjne (zwane

osłonami, ściankami). Przypisuje się im właściwości zaleŜnie od rozwaŜań jakie rozpatrywane
są w danym układzie. I tak ścianki mogą być:

−

nieprzepuszczalne – uniemoŜliwiają przepływ substancji materialnej,

−

półprzepuszczalne – pozwalają na przepływ jedynie określonego składnika,

−

diatermiczne – pozwalają na przepływ jedynie ciepła,

−

adiabatyczne – uniemoŜliwiają przepływ substancji i wymianę ciepła.
Otoczenie układu termodynamicznego – jest to pozostała część przestrzeni poza

wyodrębnionym układem, której zmiany powodują mierzalne zmiany w układzie
termodynamicznym. Mogą zatem występować w otoczeniu inne układy poza rozpatrywanym.

Parametr fizyczny układu – to kaŜda obserwowalna wielkość charakterystyczna układu,

która nie wymaga jej znajomości zarówno przed, jak i po skończonej obserwacji, np. objętość,
ciśnienie, temperatura. Dlatego teŜ wartość parametru fizycznego nie zaleŜy od przemian
układu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Parametr termodynamiczny układu – to parametr fizyczny układu, którego zmiana jest

istotna w określonym zjawisku termodynamicznym. Parametry mogą być:

−

intensywne – jeśli ich wartość nie zaleŜy od ilości substancji ciała, np. temperatura lub
ciśnienie,

−

ekstensywne  –  jeśli  ich  wartość  zaleŜy  od  ilości  substancji,  np.  energia  lub  objętość
układu.  Parametry  te  w  odniesieniu  do  jednostki  ilości  substancji  stają  się  parametrami
intensywnymi, np. objętość właściwa.
Stan  układu  –  to  stan,  określony  w  sposób  jednoznaczny  przez  wartości  wszystkich

parametrów termodynamicznych układu.

Proces termodynamiczny (przemiana) – to zjawisko stanowiące ciągłą zmianę stanów

układu między stanem początkowym i końcowym, czyli przejście między dwoma stanami
równowagi. W termodynamice rozwaŜa się procesy odwracalne i nieodwracalne.

Równowaga termodynamiczna układu – to stan, który ustala się samorzutnie w czasie,

w  układzie  odizolowanym  od  oddziaływań  zewnętrznych  i  pozostaje  niezmienny,  o  ile  nie
występują  oddziaływania  zewnętrzne.  Oznacza  to,  Ŝe  w  stanie  tym  parametry  układu  nie
zaleŜą od czasu. Podobnie do równowagi mechanicznej, równowaga termodynamiczna moŜe
być trwała, obojętna, chwiejna lub metastabilna.

Zmiany stanu układu – pozwalają na pełny opis układu termodynamicznego. Poprzez

zmianę stanu rozumiemy przemianę, która spełnia trzy warunki:

−

pozostaje w zgodzie z ograniczeniami nałoŜonymi na układ,

−

nie narusza ogólnych praw fizyki, które powinny być spełnione,

−

nie jest ograniczona przez opory.

Zasada zachowania energii

W miarę wzrostu temperatury substancji wzrasta energia kinetyczna jej atomów lub

cząsteczek  oraz  zwiększa  się  jej  objętość  –  zachodzi  wzrost  energii  potencjalnej
oddziaływania  atomów  lub  cząsteczek.  Całkowitą  energią,  tj.  sumą  energii  kinetycznych
i  potencjalnych  wszystkich  atomów  lub  cząsteczek  danej  substancji  nazywamy  jej  energią
wewnętrzną  U.  W  termodynamice  daną  substancję,  której  energię  wewnętrzną  rozwaŜamy,
nazywamy często układem termodynamicznym.

Zmiana energii wewnętrznej układu

∆

moŜe nastąpić podczas dwóch róŜnych

procesów:

−

w wyniku wykonania określonej pracy W nad układem przez siły zewnętrzne,

−

w wyniku dostarczenia do układu ciepła Q.

W przypadku gdy układ wykonuje pracę lub oddaje ciepło do otoczenia, wielkości W i Q

są ujemne.

Przyrost energii wewnętrznej układu termodynamicznego w dowolnym procesie jest

równy sumie pracy wykonanej nad układem przez siły zewnętrzne i dostarczonego do układu
ciepła:

∆

Podane prawo nazywa się I zasadą termodynamiki i wyraŜa zasadę zachowania energii

z uwzględnieniem jej przekazywania w formie pracy i ciepła.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wymiana ciepła

Wymiana ciepła to zjawisko występujące w przypadku istnienia róŜnicy temperatur

wewnątrz  badanego  układu  lub  między  kilkoma  wzajemnie  na  siebie  oddziałującymi
układami.  Dochodzi  wówczas  do  wymiany  energii  –  układ  o  temperaturze  wyŜszej  oddaje
energię układowi o temperaturze niŜszej.

Wymiana moŜe odbywać się na kilka sposobów:

−

w wyniku zetknięcia się ze sobą co najmniej dwóch ciał o róŜnych temperaturach, i tu
występują dwa przypadki:
a)

wymiana ciepła zachodzi między stykającymi się ciałami: przejmowanie
i przenikanie ciepła,

wymiana ciepła zachodzi w obrębie tego samego ciała, w którym istnieją róŜne
temperatury: przewodzenie lub konwekcja (unoszenie),

−

w wyniku zjawiska promieniowania, które polega na przemianie energii cieplnej danego
ciała na energię promienistą występującą pod postacią fal elektromagnetycznych, które po
zetknięciu z innym ciałem ponownie zamieniają się na energię cieplną.

Przewodzenie ciepła w obrębie tego samego ciała polega na przekazaniu energii

cząsteczek  o  większej  energii  kinetycznej  cząsteczkom  sąsiednim  o  mniejszej  energii  –  bez
przesunięcia  cząsteczek  ciała.  Przy  czym  cząsteczki  o  większej  energii  kinetycznej  znajdują
się  w  tej  części  ciała,  która  ma  wyŜszą  temperaturę.  Ten  sposób  wymiany  ciepła  zachodzi
w cieczach i gazach jednak na ogół ma on miejsce w ciałach stałych.

Na rysunku poniŜej moŜna zaobserwować przebieg zmian temperatury podczas

przepływu ciepła przez jednowarstwową ściankę płaską.

Rys. 2.

Przewodzenie ciepła przez jednowarstwową ściankę płaską [7]

Ilość przepływającego ciepła przez ściankę o grubości s jest wprost proporcjonalna do

róŜnicy temperatur t

–t

, czasu τ, powierzchni ścianki A, współczynnika przewodzenia ciepła

λ, a odwrotnie proporcjonalna do grubości ścianki. Przy czym t

i t

to temperatura na

powierzchniach zewnętrznych ścianki. Opisuje to prawo Fouriera:

⋅

−

⋅

)

(

Przy czym współczynnik

nazywamy przewodno

ciepln

cianki, a jego odwrotno

ść

oporem cieplnym

cianki.

Po odpowiednim przekształceniu powy

szego równania oraz zało

eniu,

e powierzchnia

cianki

, ró

nica temperatur (t

–t

) wynosi 1 K, czas

h, a grubo

ść

cianki

m, otrzymamy wzór na współczynnik przewodzenia ciepła

, zale

ny przede wszystkim

od temperatury ciała:









⋅

−

⋅

)

(

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przyjmując, Ŝe czas

s, otrzymamy jednostk

współczynnika przewodzenia ciepła

(przykładowe warto

ci wybranych materiałów zawiera tabela 4):









⋅









⋅

eli

cianka składa si

z n warstw to ilo

ść

przewodzonego ciepła nale

y wyliczy

ze wzoru:

−

...

Tabela 4.

Wartość współczynnika przewodzenia ciepła niektórych materiałów w temperaturze ok. 20°C [11]

Materiał

⋅

Materiał

⋅

Srebro czyste

419

Materiały ogniotrwałe w temp. 900°C

0,7÷1,5

Miedź czysta

395

Ziemia

0,5÷1,3

Aluminium

220

Węgiel kamienny

0,26

Duraluminium

165

Płyta korkowa

0,05

Stal węglowa

46÷58

Woda

0,6

śeliwo

40÷47

Oleje

0,12÷0,18

Nikiel techniczny

Powietrze 20°C

0,0256

Stal niklowa 20% Ni

Powietrze 300°C

0,0429

Mosiądz

80÷120

Para wodna przegrzana 300°C

0,0427

Beton

06, ÷1,4

20°C

0,196

Kamień kotłowy

0,08÷2,3

0,0157

Najlepiej przewodz

ciepło czyste metale, a najgorzej gazy. Dobre przewodniki

elektryczno

ci s

tak

e dobrymi przewodnikami ciepła, znacznie gorzej ni

czyste metale

przewodz

ciepło ich stopy. Materiały szczególnie

le przewodz

ce ciepło nazywa si

izolatorami cieplnymi lub materiałami izolacyjnymi.

Konwekcja

jest procesem unoszenia ciepła. Polega na tym,

e b

cy w ruchu gaz lub

ciecz przekazuje ciepło zimniejszemu ciału stałemu lub przeciwnie – odbiera ciepło od ciała
stałego i unosi ze sob

pozyskan

tym sposobem energi

. Konwekcja ma równie

miejsce

wówczas, gdy wymiana ciepła zachodzi bez udziału ciała stałego tj. wtedy, gdy unoszenie
wyst

puje jedynie przy udziale cieczy i gazu.

Przebieg tego zjawiska zachodzi tym szybciej im szybciej przemieszcza si

płyn. Dlatego

, stosuje si

, np. odpowiednie mieszadła w zbiornikach, co wpływa na powstawanie wirów,

dzi

ki którym mo

na znacznie skróci

czas ogrzewania lub chłodzenia czynnika. Poprzez

konwekcj

ciepło znacznie szybciej przenosi si

ma to miejsce podczas przewodzenia.

Przykładem konwekcji mo

e by

woda w kotle centralnego ogrzewania.

W zale

ci od przyczyn wywołuj

cych ruch cz

steczek cieczy wyró

niamy konwekcj

−

swobodn

−

wymuszon

Przy jednoczesnym wyst

powaniu obu tych konwekcji, wpływ konwekcji swobodnej jest

tym mniejszy im wi

ksza jest pr

dko

ść

ruchu płynu, dlatego przy du

ych pr

dko

ciach mo

wpływ konwekcji swobodnej całkowicie pomin

ąć

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przejmowanie ciepła jest zjawiskiem polegającym na przechodzeniu ciepła od ścianki do

cieczy (gazu) do niej przylegającej będącej w ruchu lub odwrotnie. Do wymiany ciepła
dochodzi w sytuacji, gdy wzdłuŜ nieruchomej ścianki o pewnej temperaturze t

przepływa

płyn o innej temperaturze t

. Przy czym wyŜszą temperaturę moŜe mieć ścianka lub czynnik

opływający ją – w zaleŜności od temperatury ścianka będzie przejmować lub oddawać ciepło.
Ten  sposób  wymiany  ciepła  ma  miejsce,  np.  w  kotłach  parowych,  gdzie  stanowi  on  jedynie
część bardziej ogólnego przypadku przechodzenia ciepła od jednego płynu, którym są gorące
spaliny  do  drugiego,  który  stanowi  woda  w  rurkach.  W  tym  przypadku  wyŜszą  temperaturę
mają spaliny, w związku z czym, to woda będzie przejmować ciepło.

Do wyznaczenia ilości ciepła Q jaka zostaje wymieniona (oddana lub przyjęta) między

dwoma ciałami w wyniku zjawiska przejmowania ciepła, naleŜy posłuŜyć się wzorem
Newtona:

)

(

−

⋅

gdzie:

α – współczynnik przejmowanego ciepła,
A – powierzchnia ścianki przejmująca ciepło [m

τ – czas trwania wymiany ciepła [h],
(t

–t

) – uskok temperatury tj. róŜnica temperatur powierzchni ścianki i płynu [K]

Współczynnik przejmowania ciepła α określa ilość ciepła jaka przechodzi w ciągu jednostki
czasu od czynnika do 1 m

powierzchni ścianki przy róŜnicy temperatur między czynnikiem

a ścianką 1 K. Współczynnik ten nie zaleŜy od materiału z jakiego została wykonana ścianka
tylko od właściwości fizycznych płynu stykającego się ze ścianką, od kształtu ścianki, stanu
jej powierzchni, a takŜe od rodzaju i prędkości płynu, który znajduje się w ruchu. Jednostką
miary współczynnika przejmowania ciepła α jest:









⋅









⋅

Przenikanie ciepła jest zjawiskiem polegającym na przechodzeniu od jednego płynu do

drugiego przez rozdzielającą je ściankę. Łatwo więc zauwaŜyć, Ŝe przenikanie ciepła zawiera
zjawisko przewodzenia i przejmowania ciepła omówione juŜ wcześniej.

Rys. 3.

Przenikanie ciepła z dwóch róŜnych płynów poprzez dzielącą je ściankę [7]

Aby wyznaczyć ilość ciepła przenikającego z jednego płynu do drugiego poprzez

oddzielającą je ściankę naleŜy podzielić proces przenikania na 3 etapy:

−

przejmowanie ciepła przez ściankę od płynu o temperaturze t

−

przewodzenie ciepła przez ściankę,

−

przejmowanie ciepła przez płyn o temperaturze t

od ścianki.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Korzystając z wcześniej poznanych wzorów:

)

(

);

(

);

(

−

⋅

−

⋅

−

⋅

oraz przyjmuj

e temperatury t

3 ,

stałe to

Po przeprowadzeniu odpowiednich przekształce

i uproszczeniu otrzymamy:

−

lub

)

(

−

⋅

, gdzie

Współczynnik k wyst

puj

cy we wzorze jest współczynnikiem przenikania ciepła i podobnie

jak w przypadku współczynnika przejmowania jego wymiar to









⋅

. Mo

e si

zdarzy

e ciepło b

dzie przenikało przez n

cianek (

cianka wielowarstwowa), wówczas

współczynnik przenikania ciepła k nale

y wyliczy

ze wzoru:

∑

Tabela 5.

Orientacyjne wartości współczynnika przenikania ciepła k [7]

Płyn









⋅

Powietrze

3÷100

Olej, smar

45÷700

Woda niewrząca

100÷12000

Woda wrząca

1000÷50000

Kondensująca para

5000÷130000

Promieniowanie

temperaturowe (cieplne)

wymiana ciepła dwóch ciał, polegaj

ca na

wysyłaniu i pochłanianiu energii promienistej (od jednego ciała do drugiego) przez warstw

przezroczystego

rodowiska. Wyst

puj

tutaj dwa przekształcenia energii, mianowicie:

−

gdy pierwsze ciało wysyła na zewn

trz swoje promienie trac

c energi

ciepln

(jej cz

ęść

−

gdy drugie ciało otrzymuje energi

promienist

wysłan

przez ciało pierwsze i dochodzi

do zamiany energii promienistej ponownie na energi

ciepln

Energia promienista wyst

puje w postaci fal elektromagnetycznych, które rozchodz

w przestrzeni prostoliniowo we wszystkich kierunkach ze stał

dko

300000 km/s

w pró

ni.

Podstawowym prawem dotycz

cym promieniowania cieplnego jest prawo Prevosta, które

mówi,

e wszystkie ciała stałe i ciekłe oraz niektóre gazy emituj

(wysyłaj

) energi

promienist

, przy czym zdolno

ść

emisji zale

y od ich własno

ci fizycznych i chemicznych,

od chropowato

ci powierzchni i od temperatury.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Gdy wiązka promieni emitowana przez jedno ciało pada na powierzchnię ciała drugiego

to część tych promieni zostaje pochłonięta, część przenika, a część zostaje odbita. I tak:

−

stosunek energii pochłoniętej przez ciało do całkowitej energii promienistej padającej na
powierzchnię tego ciała nosi nazwę współczynnika pochłaniania lub absorpcji,

−

stosunek energii odbitej od powierzchni ciała do całkowitej ilości energii nazywa się
współczynnikiem odbicia,

−

stosunek energii przepuszczonej przez ciało do całkowitej energii promienistej padającej
na powierzchnię tego ciała to współczynnik przepuszczania.
JeŜeli energia promienista jaka pada na powierzchnię ciała byłaby pochłonięta przez to

ciało  całkowicie  to  ciało  takie  byłoby  doskonale  czarne,  natomiast  w  sytuacji  odwrotnej,
gdyby  padająca  na  powierzchnię  ciała  energia  została  całkowicie  od  niej  odbita,  to
mielibyśmy  do  czynienia  z  ciałem  doskonale  białym.  W  sytuacji,  gdy  energia  padająca  na
ciało  zostałaby  całkowicie  przepuszczona  moglibyśmy  mówić  o  ciele  doskonale
przezroczystym.

Wymienniki ciepła są urządzeniami słuŜącymi do wymiany energii cieplnej pomiędzy

dwoma  płynami  bez  konieczności  mieszania  ich.  Mogą  mieć  róŜną  konstrukcję  lecz  zwykle
składają  się  z  długiej  rury  wykonanej  z  tworzywa  będącego  dobrym  przewodnikiem  ciepła.
W celu  powiększenia  powierzchni  wymiany  ciepła  wymiennik  moŜe  być  wyposaŜony
w oŜebrowanie.

Ogólnie wymienniki ciepła moŜemy podzielić na bezpośrednie, w których czynnik

cieplejszy miesza się bezpośrednio z czynnikiem zimniejszym powodując jego podgrzanie
oraz na wymienniki pośrednie, w których czynniki wymieniające ciepło nie stykają się ze sobą
(wymienniki powierzchniowe, regeneratory).

Jeśli celem wymiennika ciepła jest schłodzenie płynu roboczego, nazywa się go

chłodnicą, jeśli zaś celem jest ogrzanie płynu roboczego to mówimy o nagrzewnicy.

W związku z koniecznością wymiany ciepła pomiędzy róŜnymi czynnikami na statku

znajduje się wiele urządzeń słuŜących temu celowi. Spowodowane jest to stosowaniem
róŜnorodnych czynników, jak:

−

woda słodka i kotłowa,

−

woda morska (zaburtowa),

−

olej smarowy,

−

para wodna: mokra, przegrzana, nasycona,

−

paliwa lekkie i cięŜkie,

−

spaliny z kotłów i silników spalinowych,

−

powietrze.

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jakie są podstawowe jednostki układu SI?

Jakie inne jednostki pochodne układu SI stosuje się w termodynamice?

Jakie rozróŜniamy podstawowe stany skupienia substancji?

Od czego zaleŜy ilość ciepła pobierana podczas topnienia?

Co to jest układ i podukład termodynamiczny?

Jakimi parametrami charakteryzują się układy termodynamiczne?

Jaka jest treść I zasady termodynamiki?

Na czym polega wymiana ciepła?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Oblicz jaką pracę wykona silnik spalinowy jeśli podniesie na wysokość 20 m kontener

o wadze 10 ton? Oblicz moc tego silnika, jeśli wykonałby tę pracę w ciągu 2 minut? Wartość
pracy oraz mocy wyraź w układach jednostek SI. (Przyspieszenie ziemskie wynosi 9,81 m/s

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

odszukać w tablicach matematyczno-fizycznych tabelę zawierającą układ jednostek miar
SI,

odszukać w literaturze odpowiednie definicje i wzory na pracę i moc,

dokonać obliczeń zgodnie z wymaganiami zawartymi w treści zadania,

zapisać odpowiedź wyraŜoną za pomocą jednostek układu SI.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

tablice matematyczno-fizyczne,

−

papier, przyrządy do pisania,

−

kalkulator.

Ćwiczenie 2

Oblicz ile dŜuli ciepła przewodzi ściana płaska o wysokości 1 m, długości 5 m i grubości

45 cm w czasie 3 h. Powierzchnia cieplejsza tej ściany ma temperaturę 120

, zaś

temperatura zimniejszej strony jest o 80

niŜsza. Przyjmij, Ŝe współczynnik przewodzenia

ciepła materiału, z którego zbudowana jest ściana wynosi









⋅

Sposób wykonania

wiczenia

Aby wykona

wiczenie, powiniene

dokona

oblicze

zgodnie z wymaganiami zawartymi w tre

ci zadania,

zapisa

odpowied

wyra

w odpowiednich jednostkach,

odszuka

w tablicach termodynamicznych warto

ci współczynnika przewodzenia ciepła

dla ró

nych materiałów,

wyja

, które materiały s

dobrymi przewodnikami i dlaczego,

zastanowi

, jakie znaczenie ma dla oblicze

rodzaj

ciany (płaska, przegroda rurowa).

Wyposa

enie stanowiska pracy:

−

tablice termodynamiczne,

−

papier, przyrz

dy do pisania,

−

kalkulator.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

Podaj przykłady układów termodynamicznych i określ ich najwaŜniejsze parametry.

Zanim przystąpisz do ćwiczenia zapoznaj się z układami termodynamicznymi
zgromadzonymi w sali.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zastanowić się co determinuje układ termodynamiczny,

wymienić co najmniej dwa przykłady układów termodynamicznych – określić jakie są ich
ograniczenia – jakie jest otoczenie tych układów,

omówić stan kaŜdego układu – określić wartości parametrów termodynamicznych tych
układów (od czego zaleŜą),

wyjaśnić na czym polega zmiana stanu układu,

wyszukać w sieci Internet informacji na temat silnika spalinowego, jako przykładu układu
termodynamicznego.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

przykładowe układy termodynamiczne, np. naczynie z cieczą lub gazem,

−

karty informacyjne opisujące prezentowane przez nauczyciela układy,

−

komputer klasy PC z dostępem do sieci Internet,

−

papier, przyrządy do pisania.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

przeliczyć podstawowe jednostki wielkości fizycznych na jednostki
układu SI?

omówić przejścia fazowe substancji z róŜnych stanów skupienia?

omówić układ termodynamiczny i pojęcia z nim związane?

omówić I zasadę termodynamiki?

określić sposoby rozprzestrzeniania się ciepła?

określić współczynnik przenikania ciepła?

podać przykłady urządzeń słuŜących do wymiany energii cieplnej?

wymienić jakie czynniki biorą udział podczas wymiany ciepła na
statku?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.

Gazy doskonałe i rzeczywiste (pary)

4.2.1. Materiał nauczania

Gaz doskonały, gaz półdoskonały

Gaz doskonały – hipotetyczny gaz, którego drobiny nie przyciągają się wzajemnie,

są nieskończenie małe i sztywne (brak drgań wewnątrz drobin).
Gaz półdoskonały – róŜni się od doskonałego tym, Ŝe atomy w drobinach powiązane
są spręŜyście, więc występują drgania wewnątrz drobin.

Związek pomiędzy trzema głównymi parametrami stanu: ciśnieniem, objętością

i  temperaturą  określa  równanie  stanu  gazu  doskonałego,  które  podał  Clapeyron.  Równania
te  oparte  są  na  prawach  zmiany  stanu  gazów,  wykrytych  przez  Gay-Lussaca,  Boyle’a-
Mariotte’a oraz Charlesa, mianowicie:

−

zgodnie z prawem Boyle’a-Mariotte’a w stałej temperaturze, przy wszelkich zmianach
ciśnienia i objętości danej masy gazu, iloczyn ciśnienia i objętości jest wielkością stałą,
tzn.

const.

oraz

const.

przy

⋅

Wskaźnik 1 i 2 to stan początkowy

i końcowy gazu.

−

zgodnie z prawem Gay–Lussaca przy wszelkich zmianach stanu gazu pod stałym
ciśnieniem objętość danej masy gazu jest wprost proporcjonalna do jego temperatury

bezwzględnej:

, gdzie V

i T

oraz V

i T

to odpowiednio objętość i temperatura

gazu w stanie początkowym i końcowym.

−

zgodnie z prawem Charlesa, przy stałej objętości gazu stosunek ciśnienia i temperatury

danej masy gazu jest stały

const.

Równanie Clapeyrona tj. równanie stanu gazu doskonałego

Z połączenia tych praw, po dokonaniu odpowiednich przekształceń, otrzymujemy

zaleŜność:

const

⋅

, a poniewa

to mo

na napisa

const

⋅

, przy

czym masa gazu nie ulega zmianie.
Wielko

ść

R nazywa si

indywidualn

stał

gazow

– jest ona charakterystyczna dla danego

gazu i jest ró

na dla ró

nych gazów. Wyra

amy j

⋅

Stała gazowa R oznacza prac

wykonan

przez 1kg gazu przy podwy

szeniu jego temperatury

o jeden stopie

przy stałym ci

nieniu.

Równanie Clapeyrona mo

na zapisa

nast

puj

co:

⋅

. Je

eli przyjmiemy,

e masa gazu wynosi m to równanie przyjmie posta

⋅

gdy

⋅

Do gazu doskonałego stosuje si

równie

prawo Avogadra, które mówi,

e je

eli w kilku

zbiornikach o równych obj

ciach panuje jednakowe ci

nienie i taka sama temperatura,

to w ka

dym z tych zbiorników znajduje si

taka sama ilo

ść

steczek gazu, pomimo,

e w ka

dym zbiorniku jest inny gaz.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ciepło właściwe

Ciepło właściwe zaleŜy od rodzaju przemiany, dla gazów najbardziej istotne są dwa

rodzaje ciepła właściwego:

−

ciepło właściwe przy stałej objętości

−

ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu

gdzie

dq ,

oznaczaj

ilo

ść

dostarczonego ciepła przy stałej obj

ci lub stałym ci

nieniu,

natomiast dT oznacza odpowiadaj

cy tej ilo

ci ciepła przyrost temperatury ciała.

Ciepło wła

ciwe c

i c

jest dla gazów doskonałych stałe i nie zale

y od warto

parametrów termodynamicznych, zachodzi mi

dzy nimi zale

ść

−

li ciepło odniesiemy do 1 kilomola to zale

ść

na zapisa

w postaci:

−

gdzie Mc

i Mc

warto

ciami ciepła wła

ciwego odniesionymi do

1 kilomola, za

B nazywa si

stał

gazow

bezwzgl

kmol

kcal

kmol

⋅

3147

958

848

Energia wewnętrzna i entalpia

Energia wewn

trzna gazu doskonałego i półdoskonałego zale

y tylko od jego

temperatury, a nie zale

y od jego ci

nienia i obj

ci:

⋅

Dla gazu doskonałego ciepło wła

ciwe c

jest stałe, dlatego wyra

enie na dU mo

scałkowa

i otrzymamy

gdzie C oznacza warto

ść

energii wewn

trznej gazu

w temperaturze

0 C

eli zało

ymy,

e energia wewn

trzna gazu w temperaturze

wynosi zero, tzn. C=0, to energia wewn

trzna gazu doskonałego mo

e by

wyra

ona wzorem:

⋅

Dla gazu półdoskonałego c

trzeba zast

rednim ciepłem wła

ciwym, i tak

⋅

Entalpia jest sum

energii wewn

trznej U układu oraz energii przetłaczania (równej

iloczynowi ci

nienia bezwzgl

dnego i obj

ci czynnika):

⋅

Entalpia gazu doskonałego wynosi

⋅

co po scałkowaniu i zało

eniu,

e warto

ść

entalpii gazu w temperaturze

wynosi 0 daje

⋅

natomiast warto

ść

entalpii dla gazu

półdoskonałego ma posta

⋅

Energia oraz entalpia gazu doskonałego jest jedynie funkcj

temperatury, nie zale

y od

nienia i obj

ci – wła

ciwo

ść

ta nie jest słuszna dla gazów rzeczywistych.

Mieszaniny gazów

Mieszanin

gazów jest, np. powietrze zawieraj

ce wiele gazów jednorodnych b

spaliny otrzymywane przy spalaniu paliw. Po dostatecznie długim czasie mieszanina jest
w stanie równowagi tzn. jej skład jest jednorodny w całej masie. Zachowanie mieszanin
gazów doskonałych opisuje prawo Daltona:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KaŜdy ze składników mieszaniny gazów doskonałych zachowuje się tak, jakby sam zajmował
całą objętość, i wywiera przy tym ciśnienie zwane ciśnieniem cząsteczkowym.

Całkowite ciśnienie mieszaniny gazów p

równe jest sumie ciśnień cząsteczkowych p:

∑

Skład roztworu gazowego (mieszaniny gazów) moŜna określić za pomocą udziałów:

−

kilomolowych:

, gdzie z

– udział kilomolowy składnika i w roztworze; n

– liczba

kilomoli składnika i; n – liczba kilomoli całego roztworu,

−

kilogramowych:

, gdzie m

to liczba kilogramów składnika zaś m całego

roztworu,

−

objętościowych:













, gdzie V

oraz V to objętości składnika i całego roztworu,

natomiast ciśnienie p oraz temperatura T poszczególnych gazów jest jednakowa.

NaleŜy zaznaczyć, Ŝe zagadnienie mieszaniny gazów jest obszernym tematem, dlatego

uczeń powinien skorzystać z fachowej literatury, by poszerzyć wiadomości w tym temacie.

Procesy termodynamiczne (przemiany)

Przemiany termodynamiczne dzieli się na:

−

otwarte – podczas których czynnik dopływa lub odpływa z urządzenia, np. cylindra,
poniewaŜ przynajmniej jeden z zaworów jest otwarty,

−

zamknięte – podczas których obydwa zawory są zamknięte i czynnik ani nie dopływa do
urządzenia ani z niego nie odpływa.

W zaleŜności od sposobu doprowadzania lub odprowadzania ciepła moŜna zrealizować

wiele przemian, jednak w technice szczególnie duŜe znaczenie i zastosowanie ma kilka
z nich:

−

przemiana izochoryczna, przebiega przy stałej objętości V=const.,

−

przemiana izobaryczna, przebiega pod stałym ciśnieniem p=const.,

−

przemiana izotermiczna, przebiega w stałej temperaturze T=const.,

−

przemiana adiabatyczna, przebiega bez wymiany ciepła,

−

przemiana politropowa, przebiega przy niezmiennej wartości ciepła właściwego.

Do badania przemian termodynamicznych stosuje się metodę graficzną, która polega na

sporządzaniu  wykresów  przedstawiających  te  zmiany.  Najczęściej  stosowanym  układem  jest
układ  pracy  zwany  układem  p–v.  Oś  pionowa  wykresu  zawiera  podziałkę  ciśnienia
bezwzględnego zaś oś pozioma podziałkę objętości. Podobnie jak gaz doskonały równieŜ para
wodna moŜe podlegać wielu przemianom termodynamicznym, z tą róŜnicą, Ŝe w czasie tych
przemian  moŜe  zmieniać  swój  stan  skupienia.  Przemiany  pary  wodnej  omawia  się  na
wykresach p–v, T–s i i–s.

Wykresy p–v dla odwracalnych przemian gazów

−

Przemiana izochoryczna zachodzi przy stałej objętości

const

tylko T i p są

zmienne, gdyŜ masa czynnika

const

i stała gazowa

const

Na wykresie

(rys. 4) linia łą

ca punkt 1 z 2 to izochora, jej równanie ma posta

const

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 4.

Przemiana izochoryczna [11] Rys. 5.

Przemiana izobaryczna [11] Rys. 6.

Przemiana izotermiczna [11]

Stosując dla dwóch dowolnych stanów równanie Clapeyrona

⋅

moŜna uzyskać

matematyczną postać prawa Charlesa:

Podczas tej przemiany ci

nienie

bezwzgl

dne na pocz

tku i na ko

cu przemiany maj

tak do siebie jak temperatury

bezwzgl

dne. Dla stałej obj

ci praca wykonana przez gaz wynosi zero:

−

Zatem równanie I zasady termodynamiki b

dzie miało w tym przypadku posta

−

∆

−

Oznacza to,

e całkowita ilo

ść

ciepła dostarczona czynnikowi podczas tej przemiany

wywołuje tylko zmian

jego energii. Ten sam wzór dla gazów doskonałych b

dzie miał

posta

)

(

)

(

−

⋅

−

⋅

−

Praca techniczna przemiany izochorycznej wynosi:

)

(

−

⋅

Przykład

Obliczy

prac

techniczn

przemiany izochorycznej je

li: w naczyniu o obj

ci 2m

znajduje si

gaz doskonały i który został podgrzany izochorycznie do temperatury 607 C

Jego parametry pocz

tkowe T

=2 C

, p

=0,3MPa.

Rozwi

zanie:

960000

275

880

300000

⋅

(

)

(

)

660000

960000

300000

−

⋅

−

⋅

−

Przemiana izobaryczna to przemiana, podczas której ci

nienie czynnika nie zmienia si

p=const. Przemian

(rys. 5) przedstawia odcinek prostej równoległej do osi V.

W czasie tej przemiany zale

ść

dzy obj

a temperatur

okre

la prawo Gay–

Lussaca.

Praca bezwzgl

dna przemiany izobarycznej wynosi:

(

)

−

⋅

−

, natomiast praca

techniczna

Ilo

ść

ciepła jak

nale

y doprowadzi

do gazu doskonałego podczas tej

przemiany obliczamy ze wzoru:

)

(

)

(

−

⋅

−

⋅

−

Przemiana izotermiczna to przemiana, podczas której temperatura czynnika nie ulega
zmianie T=const. Przemian

(rys. 6) dla gazu doskonałego i półdoskonałego

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

przedstawia odcinek hiperboli, gdzie asymptotami są osie układu p–v. Do opisu tej
przemiany stosuje się prawo Boyle’a i Mariotte’a.

Praca bezwzględna tej przemiany wynosi:

303

⋅

−

natomiast praca techniczna

−

. Ilo

ść

ciepła jak

nale

y doprowadzi

do gazu

doskonałego lub półdoskonałego podczas tej przemiany obliczamy ze wzoru:

−

Rys. 7.

Przemiana adiabatyczna [11]

Rys. 8.

Przemiana politropowa p [11]

−

Przemiana adiabatyczna to przemiana, podczas której nie wyst

puje wymiana ciepła

−

Zale

ść

dzy ci

nieniem i obj

czynnika w czasie tej przemiany

wyra

a równanie Poissona

const

⋅

, gdzie

Przemian

(rys. 7) przedstawia hiperbola podobna do izotermy, lecz jest ona bardziej

stroma, a jej asymptotami s

równie

osie układu p–v.

Praca bezwzgl

dna tej przemiany, po odpowiednich wyliczeniach wynosi:

(

)

⋅

−

⋅

−

W czasie przemiany adiabatycznej czynnik termodynamiczny wykonuje prac

jedynie

kosztem swojej energii wewn

trznej. Charakterystyczn

własno

tej przemiany jest fakt,

ciepło wła

ciwe wynosi tutaj 0. Znajomo

ść

przemiany adiabatycznej pozwala na dokładne

zrozumienie zasady działania silników spalinowych.

−

Przemiana politropowa to przemiana, podczas której zale

ść

dzy ci

nieniem

bezwzgl

dnym i obj

czynnika mo

na wyrazi

wzorem

const

⋅

We wzorze

tym wykładnik politropy

jest liczb

stał

dla danej przemiany. Omówione ju

wcze

niej

odwracalne przemiany gazów doskonałych s

politropami o wykładnikach: adiabata

, izoterma

, izobara

, izochora

∞

Poza wymienionymi warto

ciami

wykładnik

e mie

jeszcze wiele innych warto

ci, dlatego te

istnieje du

o przemian

politropowych o ró

nych wykładnikach.

Znaj

c poło

enie dwóch punktów przemiany politropowej mo

na narysowa

w układzie

p–v lini

przedstawiaj

przemian

(rys. 8):

Praca przy tej przemianie ma posta

(

)

⋅

−

⋅

−

Natomiast prac

techniczn

wyra

a si

wzorem:

−

⋅

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ilość ciepła, jaką naleŜy doprowadzić do czynnika podczas przemiany politropowej,

oblicza się przy uŜyciu jednego z dwóch wzorów:

)

(

−

⋅

−

lub

)

(

−

⋅

−

Podczas przemiany politropowej najczęściej ulega zmianie objętość i ciśnienie czynnika,

dlatego symbole c i Mc podane we wzorach oznaczają ciepło właściwe politropy – nie jest to
ciepło właściwe w stałej objętości ani teŜ ciepło właściwe pod stałym ciśnieniem, a oblicza się
je ze wzoru:

−

⋅

lub

−

⋅

na zatem zauwa

e warto

ść

ciepła wła

ciwego politropy zale

y równie

od jego

wykładnika.

Para (gaz rzeczywisty)

Para wodna to okre

lony stan gazowy wody. Powstaje w wyniku parowania wody lub

sublimacji lodu. Podczas tego procesu cz

steczka wody odrywa si

od cieczy lub ciała stałego

i przechodzi do gazu.

li w naczyniu umie

cimy czyst

ciecz w postaci wody i zaczniemy j

ogrzewa

pod

stałym ci

nieniem, to w pewnej temperaturze nast

pi zjawisko zmiany stanu skupienia. Polega

ono na powstawaniu fazy gazowej w całej obj

ci cieczy (w postaci p

cherzyków

parowych) i nazywa si

je wrzeniem. Je

li po osi

gni

ciu temperatury wrzenia naczynie

dzie wci

ąŜ

podgrzewane to temperatura nie b

dzie ju

wzrasta

, b

dzie natomiast

powstawało coraz wi

cej pary. Dopiero po odparowaniu całej cieczy doprowadzanie ciepła

spowoduje dalszy wzrost temperatury.

Znajduj

ca si

w naczyniu faza gazowa o temperaturze równej temperaturze wrzenia

w kontakcie z wrz

ciecz

nazywa si

par

nasycon

. Zatem para nasycona to para

w równowadze z ciecz

, z której powstała – ma najwi

ksze mo

liwe dla danej temperatury

nienie i g

sto

ść

Rys. 9.

Krzywa zaleŜności ciśnienia nasycenia p

temperatury nasycenia T

[7]

Rys. 10.

Punkt potrójny w układzie p–t [7]

Na rys. 9 wida

krzyw

nasycenia przedstawion

dla wody, która obrazuje przej

cie ze

stanu ciekłego w stan lotny. Zaczyna si

ona w punkcie P, który odpowiada stanowi

równowagi trwałej fazy ciekłej, stałej i gazowej. Jest to punkt potrójny. Krzywa ta ko

czy si

w punkcie krytycznym K, powy

ej którego niemo

liwe jest istnienie stanu ciekłego.

eli oddzielona para nasycona zostanie podgrzana powy

ej temperatury nasycenia to stanie

par

przegrzan

Przy temperaturach ni

szych od tych, które wyst

puj

w punkcie P ciecz nie mo

e istnie

zachodzi tu sublimacja, czyli przej

cie do stanu lotnego bezpo

rednio ze stanu stałego.

krzywa
topnienia

ciecz

krzywa
wrzenia

para

ciało
stałe

krzywa
sublimacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zjawisko to podobne jest do zjawiska wrzenia, gdyŜ kaŜdemu ciśnieniu odpowiada określona
temperatura sublimacji, a wykorzystuje się je, np. do przewoŜenia Ŝywności „na suchy lód”.
Krzywa określająca zaleŜność ciśnienia sublimacji od temperatury nazywa się krzywą
sublimacji (rys. 10).

Para mokra – składa się z pary nasyconej suchej i cieczy w punkcie pęcherzyków

o  jednakowych  temperaturach  (temp.  nasycenia).  Parametry  odnoszące  się  do  cieczy
w  punkcie  pęcherzyków  oznaczane  będą  pojedynczym  apostrofem,  zaś  parametry  pary
nasyconej suchej – podwójnym (np. v’’).

Stopień suchości x pary mokrej to stosunek masy m’’ pary nasyconej suchej zawartej

w parze mokrej, do całej masy m pary mokrej:

Natomiast jej objętość właściwa wynosi:

(

)

[

]

−

⋅

Tablice termodynamiczne par

Kiedy obliczamy parametry par nasyconych czy przegrzanych musimy zna

wiele danych,

jest to, np. temperatura nasycenia, ci

nienie nasycenia, obj

ci wła

ciwe wrz

cej cieczy

i pary suchej nasyconej oraz wiele innych, zale

nych od oblicze

. Rozwi

zywanie tych

zagadnie

liwe jest przy wykorzystaniu równania stanu gazu rzeczywistego, jednak

wymaga to du

ej dokładno

ci i wielu czasochłonnych oblicze

. Dlatego w praktyce obliczenia

te prowadzi si

w oparciu o do

wiadczalnie wyznaczone zwi

zki mi

dzy wspomnianymi

wcze

niej parametrami. Znaj

c warto

ci tych parametrów mo

na posługiwa

ogólnymi

zale

ciami termodynamicznymi. Dane do

wiadczalne przedstawia si

w postaci tablic,

wykresów i zale

ci aproksymacyjnych.

Tabela 6.

Wybrane parametry cieczy w punkcie pęcherzyków i pary nasyconej suchej dla H

O [11]

v’

v’’

i’

i’’

s’

s’’

u’

u’’

MPa

⋅

0,0006108

0,01

0,0010002

206,3

2501

9,1544

2375

0,012335

0,0010121

12,04

209,3

2592

2383

0,7038

8,0752

209,3

2445

0,015

0,0010140

10,02

226,1

2599

2373

0,7550

8,007

226,1

2449

0,015740

0,0010145

9,578

230,2

2600

2370

0,7679

7,9901

230,2

2499

0,10132

100

0,0010435

1,673

419,1

2676

2257

1,3071

7,3547

419,0

2508

1,5551

200

0,0011565 0,1272

852,4

2793

1941

2,2308

6,4318

850,6

2595

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadaj

c na pytania, sprawdzisz, czy jeste

przygotowany do wykonania

wicze

Czym s

gazy doskonałe, półdoskonałe oraz mieszaniny gazów?

W jaki sposób mo

na okre

skład roztworu gazowego (mieszaniny gazów)?

Jaka jest definicja pary wodnej?

Jakie s

sposoby obliczania parametrów termodynamicznych par?

Jakie informacje (dane) zawieraj

tablice termodynamiczne?

Jakie s

sposoby wymiany ciepła i pracy w termodynamice?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Oblicz udziały objętościowe składników roztworu, który powstanie ze zmieszania gazów

z dwóch pojemników. W pierwszym o objętości V

=2 m

znajduje się azot o temperaturze

=480 K pod ciśnieniem p

=0,25 MPa. W drugim o objętości V

=4 m

znajduje się wodór

o temperaturze T

=300 K pod ciśnieniem p

=0,1 MPa.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

dokonać obliczeń zgodnie z wymaganiami zawartymi w treści zadania,

obliczyć objętość, którą musiałby mieć zbiornik drugi, aby zawarty w nim wodór miał
takie samo ciśnienie i temperaturę co azot w pierwszym,

skorzystać ze wzoru podanego w rozdziale 2 tego poradnika określającego objętościowy
udział składnika mieszaniny gazów,

wyrazić wynik procentowo.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

tablice matematyczno-fizyczne zawierające równanie Clapeyrona lub niniejszy poradnik,

−

papier, przyrządy do pisania,

−

kalkulator.

Ćwiczenie 2

Odczytaj w tablicach parowych, ile wynosi ciśnienie w kotle, jeśli temperatura wrzącej

wody wynosi odpowiednio 10

, 25

, 50

, 100

, 200

i 300

. Powiedz jaki

wpływ ma wzrastająca temperatura na ciśnienie. Następnie odczytaj temperaturę wrzenia
wody pod ciśnieniem 0,005 MPa, 0,03 MPa, 0,1 MPa oraz 1,00 MPa.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

znaleźć w Internecie odpowiednie tablice termodynamiczne, które pozwolą na
bezpośredni odczyt szukanych parametrów lub skorzystać z tablic udostępnionych przez
nauczyciela,

zapisać wynik w formie tabeli,

zastanowić się czy istnieje inny sposób na rozwiązanie tego zadania, bez uŜycia tablic,

uzasadnić odpowiedź zawartą pkt 3.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

tablice termodynamiczne parametrów cieczy w punkcie pęcherzyków i pary nasyconej
suchej dla H

−

komputer klasy PC z dostępem do sieci Internet,

−

papier, przyrządy do pisania.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

Wyszukaj w Internecie informacje na temat przebiegu wymiany ciepła poprzez

podgrzewanie i chłodzenie oraz wymiany pracy przez rozpręŜanie i spręŜanie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

wyszukać w Internecie informacje przedstawione w treści zadania, dotyczące wymiany
ciepła i pracy,

zapisać i omówić na forum grupy poruszone zagadnienia,

podać kilka przykładów wymiany ciepła przez podgrzewanie i chłodzenie,

podać kilka przykładów wymiany pracy przez rozpręŜanie i spręŜanie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

komputer klasy PC z dostępem do sieci Internet,

−

papier, przyrządy do pisania.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

omówić gazy doskonałe, półdoskonałe oraz mieszaniny gazów?

zinterpretować

prawa

gazowe

dla

gazów

doskonałych,

półdoskonałych i mieszanin gazów?

podać definicje entalpii i energii wewnętrznej?

wyjaśnić czym jest punkt potrójny i punkt krytyczny?

wyjaśnić na czym polega zjawisko sublimacji?

zinterpretować procesy termodynamiczne z udziałem gazów
doskonałych?

korzystać w sposób właściwy z tablic termodynamicznych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.

II zasada termodynamiki. Obiegi termodynamiczne

4.3.1.

Materiał nauczania

Praca bezwzględna

W termodynamice wyróŜniamy dwa sposoby zmiany zasobu energii: przez wymianę

pracy i wymianę ciepła.

Jeśli czynnik ulega rozpręŜaniu tzn. zwiększa się jego objętość, to wykonuje on pracę,

która  moŜe  być  oddana  na  zewnątrz.  Natomiast  w  sytuacji  odwrotnej,  aby  spręŜyć  czynnik,
czyli  zmniejszyć  jego  objętość,  trzeba  doprowadzić  do  niego  pracę  z  zewnątrz.  NaleŜy
zaznaczyć, Ŝe ta zewnętrzna praca mechaniczna, którą oddaje bądź pobiera czynnik jest jedną
z najwaŜniejszych wielkości występujących w termodynamice technicznej.

ZaleŜności jakie zachodzą między wartością wykonanej pracy a zmianami ciśnienia

i objętości czynnika w bardzo dokładny sposób opisuje układ: cylinder i poruszający się
wewnątrz niego bez tarcia tłok.

Jeśli przyjmiemy, Ŝe wewnątrz cylindra o przekroju A [m

] znajduje się m [kg] gazu

o objętości V [m

]

to siła, którą wywiera czynnik gazowy o ciśnieniu p [Pa] na tłok, jest

równowaŜona siłą zewnętrzną F [N] działającą na tłoczysko, a jej wartość wynosi:

]

[

⋅









⋅

li tłok przesunie si

o odcinek

∆

s pod wpływem rozszerzaj

cego si

gazu, to zostanie

wykonana praca równa iloczynowi siły F i drogi tłoka

∆

s, a oznacza si

symbolem

∆

Wyra

amy j

nast

puj

co:

]

∆

⋅

∆

⋅

∆

lub

]

∆

⋅

∆

, gdzie

∆

⋅

∆

oznacza przyrost obj

ci czynnika.

Praca techniczna

Parowe silniki tłokowe, turbiny parowe, pompy, spr

ęŜ

arki s

maszynami przepływowymi,

których cech

charakterystyczn

jest to,

e czynnik stale lub okresowo do nich dopływa

i w ten sam sposób z nich wypływa. Idealna maszyna przepływowa działa
w nast

puj

cy sposób (rys. 11):

Kiedy tłok jest w poło

eniu A, otwiera si

zawór dolotowy, przez który dopływa czynnik

o stałym ci

nieniu p

. Przy poło

eniu tłoka w punkcie 1 nast

puje zamkni

cie zaworu

dolotowego – od tej chwili nast

puje rozpr

ęŜ

anie czynnika. Pod jego wpływem tłok przesuwa

do punktu 2, w tym czasie czynnik nie dopływa do cylindra, dlatego rozszerzaniu si

czynnika towarzyszy spadek jego ci

nienia w cylindrze (krzywa 1–2 na rys. 11).

W punkcie 2 otwiera si

zawór wylotowy, przez niego czynnik zostaje wypchni

ty na

zewn

trz, ruch tłoka trwa a

do punktu B. W tym czasie ci

nienie w cylindrze jest stałe

i wynosi p

. W czasie ruchu tłoka od punktu A do punktu 1 i od 1 do 2 obj

ść

zajmowana

przez czynnik powi

ksza si

, wi

c prace ich (dodatnie) wynosz

odpowiednio:

⋅

−

oraz

∑

∆

⋅

−

W przypadku ruchu tłoka od punktu 2 do B obj

ść

zajmowana przez czynnik maleje

tzn. wykonana praca ma warto

ść

ujemn

i wynosi:

⋅

−

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Praca techniczna jest więc sumą algebraiczną trzech prac bezwzględnych tj. pracy

napełniania, pracy rozpręŜania oraz pracy wydmuchu. Praca techniczna, którą wykonał
czynnik w idealnej maszynie przepływowej w czasie jednego cyklu pracy przedstawiona jest
polem (rys. 11):

−

Pomiędzy pracą techniczną a pracą bezwzględną zachodzi zaleŜność:

⋅

−

⋅

−

Rys. 11.

Praca idealnego silnika przepływowego: a) napełnianie, b) ekspansja, c) wydmuch, d) praca jednego
cyklu [11]

II Zasada termodynamiki

Mogłoby się wydawać, Ŝe w kaŜdym przypadku i bez Ŝadnych ograniczeń istnieje

moŜliwość  zamiany  róŜnych  rodzajów  energii  na  jej  inne  rodzaje.  Jednak  na  podstawie
doświadczeń  widać,  Ŝe  tak  nie  jest.  MoŜna  zamienić  całkowicie  energię  mechaniczną  za
pomocą tarcia w ciepło, ale uzyskanego ciepła nie da się juŜ w całości zamienić z powrotem
w energię mechaniczną. Badania procesów przetwarzania energii doprowadziły do ustalenia II
zasady  termodynamiki.  Określa  ona  warunki,  dla  których  to  przetwarzanie  jest  w  ogóle
moŜliwe.

Druga zasada termodynamiki mówi, Ŝe warunkiem koniecznym do zamiany ciepła na

pracę  mechaniczną  jest  istnienie  co  najmniej  dwóch  źródeł  ciepła  o  róŜnych  temperaturach.
Według  tej  zasady  nie  moŜna  zbudować  silnika,  który  pracowałby  tylko  z  jednym  źródłem
ciepła.  Wyniki  obserwacji  i  badań  nad  moŜliwością  przechodzenia  energii  z  jednej  postaci
w  inne,  zebrano  w  kilka  sformułowań  noszących  nazwę  słownych  definicji  drugiej  zasady
termodynamiki, wszystkie są równorzędne:

−

ciepło nie moŜe samorzutnie przejść od ciała o temperaturze niŜszej do ciała
o temperaturze wyŜszej,

−

tarcie jest przemianą nieodwracalną,

−

niemoŜliwe jest konstruowanie perpetuum mobile II rodzaju (silnika pobierającego ciepło
z jednego źródła o stałej temperaturze, który w całości zamieniałby ciepło na pracę
mechaniczną nie powodując trwałych zmian w innych ciałach).
Pierwsza zasada termodynamiki ustala zatem równowaŜność ciepła i pracy nie określając

warunków panujących w trakcie ich wzajemnej przemiany. Natomiast druga zasada
termodynamiki określa warunki, w jakich moŜliwa jest przemiana energii cieplnej w pracę
mechaniczną.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Entropia

Entropia jest termodynamicznym parametrem stanu układu, który nie ma odpowiednika

w  postaci  zjawiska  fizycznego  –  jest  pojęciem  matematycznym.  Określa  kierunek  przebiegu
procesów  samorzutnych  w  odosobnionym  układzie  termodynamicznym.  Oblicza  się  jedynie
jej  przyrost,  gdyŜ  nie  moŜna  obliczyć  jej  wartości  bezwzględnej.  Elementarny  przyrost
entropii  ciała  jest  ilorazem  elementarnej  ilości  ciepła  pochłoniętego  przez  to  ciało,  przez

bezwzględną temperaturę ciała jaką miało ono w chwili pochłaniania ciepła:

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

to ciało ma temperaturę 0°C i znajduje się pod ciśnieniem 0,1MPa. Jeśli entropia ciała ma
wartość zero i ogrzejemy to ciało do dowolnego stanu 1 to wartość entropii tego ciała wzrasta.

PrzybliŜoną wartość entropii ciała w dowolnym punkcie 1 moŜna obliczyć ogrzewając to

ciało w sposób odwracalny od stanu kiedy jego entropia wynosiła zero, do stanu 1, tworząc
sumę ułamków. W kaŜdym ułamku porcja doprowadzonego ciepła jest dzielona przez

temperaturę ciała jakie miało ono w chwili doprowadzania tej porcji:

∑

Jednak, aby otrzymać dokładną wartość entropii ciała naleŜy ilość doprowadzonego ciepła
podzielić na nieskończenie wiele małych porcji:

∫

273

Entropię właściwą ciał stałych i cieczy naleŜy obliczać ze wzoru:

273

⋅

entropi

wła

ciw

gazów doskonałych ze wzoru:

273

⋅

−

⋅

gdzie p – ci

nienie bezwzgl

dne wyra

one w MPa.

Na ogół interesuje nas, o ile wzrosła lub o ile zmalała entropia badanego ciała. Obliczanie

przyrostu entropii ciał najłatwiejsze jest przy procesach, w których mimo doprowadzania
ciepła temperatura ciała nie zmienia si

. Ciała, których temperatura pomimo doprowadzania

lub odprowadzania ciepła nie zmienia si

nazywamy

ródłami ciepła o stałej temperaturze.

Przy obliczaniu przyrostu entropii

∆

ródła ciepła o stałej temperaturze wystarczy cał

ilo

ść

doprowadzanego ciepła

∆

Q podzieli

przez temperatur

ródła:

źr

∆

. W praktyce

jednak przyrost entropii czynnika oblicza si

jako ró

nic

pomi

dzy entropi

czynnika

w stanie ko

cowym a entropi

czynnika w stanie pocz

tkowym:

−

∆

Obiegi termodynamiczne

Obiegiem nazywamy przemiany, które cyklicznie nast

puj

po sobie i po których

przej

ciu czynnik wraca do stanu wyj

ciowego. W tym czasie ciepło jest doprowadzane

i odprowadzane, praca jest wykonywana i oddawana, za

ich warto

ci s

tak dobrane,

czynnik wraca ostatecznie do stanu pocz

tkowego. Obieg mo

na zrealizowa

w cylindrze je

jego zawory b

stale zamkni

te. Obraz obiegu przedstawia si

w układzie pracy (na

wykresach p-v) – jest nim linia zamkni

ta rys. 12.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

PoniewaŜ w kaŜdym obiegu stan początkowy i końcowy pokrywają się ze sobą, dlatego

zasób energii wewnętrznej i czynnika po wykonaniu obiegu nie ulega zmianie; zatem przyrost
energii wewnętrznej układu wynosi ∆U = 0.

Rys. 12.

Przykładowe obiegi w układzie pracy [11]

Silnik cieplny to kaŜde urządzenie, które wykonuje pracę kosztem energii dostarczonej

w postaci ciepła, natomiast maszyna robocza jest urządzeniem, które kosztem dostarczonej
z zewnątrz energii mechanicznej umoŜliwia osiągnięcie pewnych zamierzonych efektów
(np. spręŜarka).

W obiegach termodynamicznych krzywa zmian w układach pracy dla maszyn roboczych

oraz silników cieplnych jest krzywą zamkniętą, niemniej jednak zmiany parametrów stanu
przebiegają dla tych urządzeń nieco inaczej:

−

w silnikach zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara – praca dodatnia (otrzymana),

−

w maszynach roboczych w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara – praca
ujemna (dostarczona).

Obiegi prawobieŜne i lewobieŜne

Urządzenia, w których realizowany jest obieg prawobieŜny dostarczają energię

mechaniczną. NaleŜy do nich silnik cieplny.

Jeśli silnik cieplny pobrał ciepło Q

ze źródła o temperaturze wyŜszej, to część tego ciepła

zostaje zamieniona na pracę mechaniczną L

, zaś pozostałą część ciepła Q

oddaje do źródła

ciepła o temperaturze niŜszej. Zatem jego sprawność (zawsze mniejsza niŜ 1) wynosi:

−

, gdy

Urz

dzenia, w których realizowany jest obieg lewobie

ny wymagaj

doprowadzenia do

nich energii mechanicznej. S

to urz

dzenia chłodnicze oraz pompy ciepła.

Urz

dzenia te po doprowadzeniu energii mechanicznej pobieraj

ciepło Q

ródła

o temperaturze ni

szej i oddaj

ciepło Q

ródła o temperaturze wy

szej. W przypadku

urz

dze

idealnych, doprowadzana do nich energia mechaniczna równa jest bezwzgl

dnej

warto

ci pracy obiegu:

−

W urz

dzeniach chłodniczych

ródłem ciepła o temperaturze ni

szej jest pomieszczenie,

gdzie utrzymuje si

sztucznie ni

temperatur

, natomiast

ródłem ciepła o temperaturze

szej jest otoczenie. Wydajno

ść

wła

ciw

oblicza si

w tym przypadku ze wzoru:

Obieg Carnota

Jest to odwracalny obieg o najwi

kszym znaczeniu w termodynamice (rys. 13).

W układzie p-v składa si

on z dwóch odcinków izoterm i z dwóch odcinków adiabat

(4 przemiany), mianowicie:

−

rozpr

ęŜ

anie izotermiczne (czynnik pobiera ciepło ze

ródła cieplejszego) 1–2,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

rozpręŜanie adiabatyczne 2–3,

−

spręŜanie izotermiczne (czynnik oddaje ciepło do źródła o temperaturze niŜszej) 3–4,

−

spręŜanie adiabatyczne 4–1.

Rys. 13.

Obieg Carnota [11]

Sprawność obiegu Carnota określa wzór:

−

gdzie T

i T

to odpowiednio temperatury

ródła cieplejszego i zimniejszego.

Nale

y zaznaczy

e nie mo

na zbudowa

idealnego silnika Carnota, ani innego silnika

cieplnego o jego sprawno

ci. Dlatego konstruktorzy buduj

c silniki traktuj

silnik Carnota

jako wzorcowy model, do którego mo

na si

zbli

Analizuj

c powy

szy wzór na sprawno

ść

Carnota łatwo zauwa

e chc

c zwi

kszy

sprawno

ść

nale

y podj

ąć

jedno z dwóch działa

−

obni

temperatur

ródła zimniejszego (sposób mniej realny),

−

podwy

szy

temperatur

ródła cieplejszego (sposób bardziej realny, jednak stosowanie

wysokich temperatur w technice zale

y nie tylko od rodzaju paliwa czy sposobu jego

spalania, ale te

od materiałów konstrukcyjnych).

Obiegi porównawcze tłokowych silników spalinowych

Obieg porównawczy pracy silnika to uproszczony schemat obiegu termodynamicznego

uwzgl

dniaj

cy jedynie straty spowodowane konieczno

odprowadzenia cz

ęś

ci ciepła

z obiegu do

ródła dolnego przy przetwarzaniu energii cieplnej w prac

mechaniczn

(II zasada termodynamiki). Posiada on szereg zało

upraszczaj

cych, tj.:

−

czynnikiem pracuj

cym (roboczym) jest gaz doskonały o stałym cieple wła

ciwym,

−

obieg porównawczy wykonuje stała ilo

ść

czynnika o stałym składzie chemicznym,

−

obieg porównawczy składa si

wył

cznie z typowych przemian odwracalnych,

−

pomija si

tarcie,

−

nieodwracalne zjawiska spalania zast

puje si

doprowadzaniem ciepła z zewn

trz,

−

usuwanie spalin z silnika zast

puje si

odprowadzaniem ciepła od nie zmieniaj

cej si

ilo

ci czynnika przy stałej obj

ci.

Obiegi porównawcze spełniaj

ogromn

rol

w doskonaleniu silników spalinowych –

przy ich badaniu i ulepszaniu, mimo

e odbiegaj

znacznie od rzeczywistego przebiegu

wyst

puj

cych tam zjawisk.

Ze wzgl

du na sposób doprowadzania ciepła rozró

nia si

obiegi (rys. 14,15 i 16):

−

obieg Otta – z izochorycznym doprowadzaniem ciepła, gdzie V=const.,

−

obieg Diesla – z izobarycznym doprowadzaniem ciepła, gdzie p=const.,

−

obieg Sabathe’a – z mieszanym doprowadzaniem ciepła, gdzie V=const. i p=const.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 14.

Wykres pracy obiegu Otta [3]

Rys. 15.

Wykres pracy obiegu Diesla [3]

Rys. 16.

Wykres pracy obiegu Sabathe’a [3]

Obieg Otta składa się z dwóch przemian adiabatycznych i dwóch przemian izochorycznych:

−

1–2 izobara przedstawiająca zasysanie mieszanki palnej do cylindra przy stałym ciśnieniu
atmosferycznym,

−

2–3 adiabata spręŜania mieszanki w cylindrze,

−

w punkcie 3 następuje zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej, która natychmiast ulega
spaleniu (przy stałej objętości i znacznym wzroście ciśnienia i temperatury),

−

3–4 izochora przedstawia zjawisko spalania mieszanki,

−

4–5 adiabata przedstawia przemianę rozpręŜania się gazów spalinowych w cylindrze
w czasie suwu pracy,

−

5–2 izochora przedstawia spadek ciśnienia w cylindrze po otwarciu zaworu wylotowego;
część spalin wydostaje się z cylindra do atmosfery unosząc ciepło,

−

2–1 izobara zamykająca obieg, odpowiada usuwaniu reszty spalin z cylindra w czasie
ruchu powrotnego tłoka w suwie wylotu.

– objętość komory spręŜania w silniku spalinowym,

– objętość skokowa cylindra,

– objętość całkowita cylindra (V

Q’’

Q’

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Stopniem spręŜania

nazywamy stosunek całkowitej objętości cylindra V

do objętości

komory spręŜania V

, mianowicie:

, przy czym

⋅

, gdzie d – średnica cylindra, s – skok tłoka,

Sprawność obiegu Otta zaleŜy tylko od stopnia spręŜania i wykładnika adiabaty, a nie

zaleŜy od ilości doprowadzonego ciepła czy pracy obiegu:

−

, gdzie

– wykładnik adiabaty

Obieg Diesla

składa si

z dwóch przemian adiabatycznych oraz z izobary i izochory.

Spr

ęŜ

anie i rozpr

ęŜ

anie gazu oraz odprowadzanie ciepła odbywa si

identycznie jak w obiegu

Otta, z t

ró

nic

e wyst

puje tu izobaryczne doprowadzanie ciepła.

Sprawno

ść

obiegu Diesla zale

y, podobnie jak w obiegu Otta, od stopnia spr

ęŜ

ania

i wykładnika adiabaty oraz dodatkowo od stopnia wst

pnego rozpr

ęŜ

ania. Stopie

wst

pnego

rozpr

ęŜ

ania zale

y od ilo

ci dostarczonego ciepła przy stałym ci

nieniu.

)

(

−

⋅

−

, gdzie

– stopie

wst

pnego rozpr

ęŜ

ania

Przy jednakowych stopniach spr

ęŜ

ania sprawno

ść

teoretyczna obiegu Diesla jest mniejsza

sprawno

ść

Otta. Natomiast przez odpowiednie podwy

szenie stopnia spr

ęŜ

ania uzyskuje

znacznie wi

ksz

sprawno

ść

obiegu Diesla ni

obiegu Otta przy umiarkowanym stopniu

spr

ęŜ

ania.

Obieg Sabathe’a

składa si

z dwóch przemian adiabatycznych, dwóch przemian

izochorycznych i jednej izobarycznej. Charakterystyczn

cech

tego obiegu jest dostarczenie

ciepła najpierw przy stałej obj

ci, a nast

pnie przy stałym ci

nieniu. Inne przemiany

odbywaj

podobnie jak w obiegu Otta lub Diesla.

Sprawno

ść

obiegu Sabathe’a zale

y od stopnia spr

ęŜ

ania, wykładnika adiabaty i stopnia

wst

pnego rozpr

ęŜ

ania oraz od stopnia przyrostu ci

nienia, a okre

la j

zale

ść

)

(

−

⋅

−

χλ

gdzie

– stopie

przyrostu ci

nienia

Indykatory

– s

to urz

dzenia, które sporz

dzaj

wykresy przedstawiaj

ce rzeczywiste

przebiegi zmian ci

nienia w cylindrze w zale

ci od poło

enia tłoka b

ta obrotu wału.

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadaj

c na pytania, sprawdzisz, czy jeste

przygotowany do wykonania

wicze

Jaka jest ró

nica pomi

dzy prac

bezwzgl

dna oraz prac

techniczn

Jak brzmi II Zasada Termodynamiki?

Co to jest entropia?

Jakie obiegi porównawcze stosuje si

w termodynamice w trakcie analizy pracy silników?

Z jakich przemian składa si

obieg Carnota?

Z jakich przemian składaj

obiegi Otta, Diesla, Sabathe’a?

Do czego słu

Ŝą

indykatory?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Porównaj (w układach pracy p-v) obiegi rzeczywistych silników z obiegiem Carnota oraz

wyjaśnij w jakim stopniu obiegi porównawcze wpływają na doskonalenie silników
spalinowych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

dokonać analizy otrzymanych wykresów obiegów na wykresach p-v,

zapisać róŜnice i podobieństwa zauwaŜone na wykresach,

wyjaśnić dlaczego nie moŜna zbudować idealnego silnika Carnota,

wyjaśnić wpływ obiegów porównawczych na doskonalenie silników spalinowych.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

zestaw wykresów p-v przykładowych silników oraz idealnego obiegu Carnota,

−

papier, przyrządy do pisania.

Ćwiczenie 2

Zaprojektuj stanowisko do badania silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym,

korzystając z literatury dostępnej w laboratorium, Internetu i wskazówek nauczyciela.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

wyszukać w Internecie i literaturze informacje nt. pomiarów zmian ciśnienia w cylindrze
w zaleŜności od połoŜenia tłoka bądź kąta obrotu wału,

sporządzić listę potrzebnych „elementów” stanowiska do badań,

zaproponować konkretny typ czujnika do pomiaru ciśnienia w cylindrze (wynotuj jego
dane techniczne),

oszacować koszt budowy takiego stanowiska.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

fachowa literatura nt. pomiarów ciśnienia silników, katalogi firm produkujących czujniki
ciśnienia,

−

komputer klasy PC z dostępem do sieci Internet,

−

papier, przyrządy do pisania,

−

kalkulator.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

Odszukaj przykłady prób zbudowania urządzeń perpetuum mobile korzystając z literatury

dostępnej w laboratorium oraz sieci Internet. Przeanalizuj odnalezione przykłady i wyjaśnij
dlaczego urządzenia te nie mogły zostać urządzeniami perpetuum mobile.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

odszukać w sieci Internet i literaturze informacje nt. prób zbudowania perpetuum mobile,

sporządzić listę konkretnych przykładów takich urządzeń,

wyjaśnić, na ich podstawie, jaki czynnik decydował o tym, Ŝe nigdy nie osiągnięto
załoŜonego celu i nie zbudowano perpetuum mobile,

wypisać w formie tabeli, jakie korzyści i skutki uboczne wiązałyby się z pozytywnym
ukończeniem tego typu urządzenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

komputer klasy PC z dostępem do sieci Internet,

−

ksiąŜki i czasopisma dotyczące perpetuum mobile,

−

papier, przyrządy do pisania.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

wyjaśnić pojęcie pracy zewnętrznej, uŜytecznej i technicznej?

wymienić kilka sformułowań noszących nazwę słownych definicji
drugiej zasady termodynamiki?

wyjaśnić pojęcie entropii?

podać definicję silnika cieplnego?

rozróŜnić obiegi termodynamiczne?

rozpoznać na wykresie rodzaj obiegu termodynamicznego?

określić co ma wpływ na sprawność obiegu Diesla?

podać zastosowanie indykatora?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.

SpręŜarki, gazy wilgotne, silniki i procesy spalania

4.4.1. Materiał nauczania

SpręŜarki

Powietrze spręŜone wykorzystywane jest na statku do wielu celów, m.in.: do rozruchu

silników, do układów sterowania i automatyki siłowni, do celów przemysłowych, do
wentylacji pomieszczeń itd. Maszyny robocze słuŜące do spręŜania i przetłaczania powietrza,
gazów i pary, wykorzystywane na statkach to wentylatory, dmuchawy oraz spręŜarki właściwe
o spręŜu powyŜej 2 (spręŜ – stopień spręŜania, definiowany jako stosunek wielkości ciśnienia
za spręŜarką do ciśnienia przed spręŜarką).

W zaleŜności od tego czy proces spręŜania zachodzi w cylindrze, w którym porusza się

tłok czy w układzie łopatek, przez które przepływa w sposób ciągły gaz, spręŜarki moŜemy
podzielić na:

−

tłokowe,

−

wirnikowe (osiowe, promieniowe).

SpręŜarka tłokowa składa się z cylindra, w którym porusza się tłok za pomocą

mechanizmu korbowego silnika napędowego. W spręŜarce idealnej przyjmuje się, Ŝe tłok
dochodzi aŜ do pokrywy cylindra, czyli między dnem tłoka a pokrywą cylindra nie ma Ŝadnej
objętości gazu (punkt a na rys. 17).

Następuje zasysanie gazu do cylindra do czasu gdy tłok

osiągnie drugie skrajne połoŜenie 1. Następnie zawór ssawny zamyka się i tłok zaczyna
poruszać się w kierunku powrotnym spręŜając gaz (przemiana 1–2) do chwili gdy ciśnienie
osiągnie Ŝądaną wartość p

. Następuje otwarcie zaworu wylotowego i gaz zostaje wytłoczony

z cylindra (2–b).

Rys. 17.

Przebieg spręŜania w teoretycznej
spręŜarce tłokowej [7]

Rys. 18.

Przebieg spręŜania w rzeczywistej spręŜarce

tłokowej; V

– przestrzeń szkodliwa [7]

W zaleŜności od warunków pracy w jakich pracują spręŜarki ich przebiegi spręŜania

mogą róŜnie przebiegać. Gdy cylinder chłodzony jest wodą to jego ścianki nie nagrzewają się
nadmiernie, co wpływa pozytywnie na pracę. Dlatego im wolniej będzie przebiegało w tym
przypadku spręŜanie tym silniej będzie chłodzony gaz. Zachodząca tu przemiana zbliŜa się do
izotermy. Jeśli natomiast spręŜanie będzie przebiegało szybko to gaz będzie oddawał mało
ciepła, dlatego przemiana będzie w tej sytuacji zbliŜona do adiabaty.

W wyniku analizy róŜnych przemian spręŜania zauwaŜono, Ŝe najmniejsza praca zostaje

wykonana przy spręŜaniu izotermicznym, zaś największa przy adiabatycznym. Dlatego
w praktyce powinno się zmierzać w kierunku spręŜania izotermicznego. W rzeczywistości
mamy do czynienia z przemianą pośrednią między izotermą a adiabatą, mianowicie przemianą

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

zbliŜoną do politropy. Podczas spręŜania praca jest do układu zawsze doprowadzana, dlatego
teŜ w obliczeniach występuje znak minus.

JeŜeli na wyjściu spręŜarki ciśnienie ma być duŜe, to aby uniknąć duŜej temperatury

w końcu spręŜania stosuje się spręŜanie wielostopniowe – spręŜanie następuje kolejno w kilku
cylindrach.  W  przypadku  spręŜarki  trzystopniowej  (trzycylindrowej)  z  międzystopniowym
chłodzeniem  gaz  zasysany  jest  najpierw  do  cylindra  pierwszego,  z  którego  po  spręŜeniu
przechodzi  do  chłodnicy.  Następnie  doprowadzany  jest  do  drugiego  cylindra  i  po  spręŜeniu
trafia  do  kolejnej  chłodnicy,  a  stamtąd  kierowany  jest  do  trzeciego  cylindra,  gdzie  następuje
spręŜanie końcowe.

Praca spręŜarek rzeczywistych charakteryzuje się tym, Ŝe występują straty, które

powodują, iŜ objętość cylindra jest gorzej wykorzystywana. W cylindrach spręŜarek
rzeczywistych istnieje przestrzeń szkodliwa (rys. 18 –V

), którą określa współczynnik

zasysania (stosunek objętości gazu zassanego w rzeczywistości do cylindra do jego objętości
skokowej). Współczynnik ten określa sprawność objętościową spręŜarek tłokowych. JednakŜe
w celu określenia sprawności spręŜarki wykorzystuje się równieŜ współczynnik
tłoczenia

Jest on stosunkiem masy gazu wytłoczonej podczas jednego cyklu pracy do masy

gazu jaka moŜe się zmieścić w objętości skokowej przy temperaturze i ciśnieniu zasysanego
gazu:

SpręŜarki  wirnikowe  na  ogół  wykonywane  są  jako  wielostopniowe:  na  wale  wirnika
umieszcza  się  od  kilku  do  kilkunastu  wieńców  łopatek,  zaś  liczba  kierownic  odpowiada
liczbie  wieńców  łopatek  wirnika.  Działanie  jej  polega  na  przepływie  spręŜanego  czynnika
między  jej  łopatkami  na  wirniku  i  łopatkami  kierowniczymi  umieszczonymi  w  kadłubie.
W wyniku przepływu czynnika przez odpowiednio ukształtowane kanały łopatkowe dochodzi
do  zmiany  kierunku  i  wielkości  prędkości  ruchu  oraz  następuje  wzrost  ciśnienia  spręŜanego
czynnika.

Z powodu trudności chłodzenia spręŜarek wirnikowych przyjmuje się, Ŝe idealne

spręŜarki realizują odwracalną przemianę adiabatyczną (przemiana izentropowa). SpręŜanie
moŜna przedstawić na wykresach p-v, i–s oraz T-s.

Rys. 19.

Przebieg spręŜania w spręŜarce wirnikowej, gdzie 1–2

przebieg idealnej

spręŜarki, 1–2

– rzeczywistej [7]

Praca potrzebna do teoretycznego spręŜania 1 kg czynnika przepływającego przez

spręŜarkę od ciśnienia p

do p

równa jest pracy technicznej przemiany izentropowej. Praca

rzeczywistego spręŜania równa jest róŜnicy entalpii na końcu i początku spręŜania.

W okrętownictwie spręŜarki wirnikowe stosowane są we współczesnych silnikach

turbinowych, np.: wielostopniowe spręŜarki osiowe, jednostopniowe spręŜarki promieniowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Obiegi parowe

Typowy obieg siłowni parowej zawiera czynnik chłodzący w postaci wody, który

przepływa przez kocioł, turbinę, skraplacz (kondensator) i pompę. Dalej cykl ten się powtarza.

Ke – kocioł parowy,
P – podgrzewacz
T – turbina,
G – generator,
Ko – skraplacz,
Sp – pompa wody zasilającej

Rys. 20.

Obieg siłowni parowej [3]

Obiegi Carnota i Clausiusa-Rankine'a

Za pośrednictwem pary wodnej w silniku parowym odbywa się zamiana ciepła w energię

mechaniczną.  Kocioł  parowy  (wytwarzający  parę  wodną)  i  silnik  stanowią  główne  części
układu  siłowni  parowej.  Przebieg:  W  kotle  parowym  następuje  przemiana  wody  w  parę
nasyconą,  która  przechodzi  do  silnika  parowego,  gdzie  ulega  rozpręŜaniu  wykonując  pracę
mechaniczną.  RozpręŜona  para  o  odpowiednio  niskiej  temperaturze  i  niskim  ciśnieniu
przechodzi  do  chłodnicy  skraplacza,  skąd  następuje  odprowadzenie  ciepła  i  skroplenie  pary.
Pompa przetłacza do kotła parowego skropliny zamykając tym samym obieg czynnika.

W rozdziale III tego poradnika omówiono juŜ gazowy obieg Carnota. Wynikało tam, iŜ

obieg  ten  jest  obiegiem  wzorcowym,  do  którego  naleŜało  dąŜyć.  Niemniej  jednak
w  przypadku  silnika  parowego  nie  został  on  przyjęty.  Powodem  stały  się  trudności  w  jego
realizacji od strony praktycznej, gdyŜ niemoŜliwe jest uzyskanie wody o temperaturze wrzenia
w  chwili  jej  wtłaczania  do  kotła  parowego,  spręŜając  adiabatycznie  parę  wodną  o  pewnej
wilgotności.  Dlatego  jako  obieg  wzorcowy  przyjmuje  się  obieg  Rankine'a,  który  zawiera
zresztą, podobnie jak obieg Carnota, adiabatyczne rozpręŜanie doprowadzone do temperatury
źródła  dolnego.  RóŜni  się  zaś  doprowadzaniem  i  odprowadzaniem  ciepła,  które  odbywa  się
tylko  izobarycznie  oraz  tym,  Ŝe  w  chłodnicy  skrapla  się  cała  para,  a  skroploną  wodę
przepompowuje się do kotła za pomocą pompy.

Obieg Clausiusa-Rankine’a jest obiegiem porównawczym dla siłowni parowej, składa się
z następujących przemian (rys. 21):

−

1–2 – adiabatycznego rozpręŜania pary w turbinie parowej,

−

2–3 – izobarycznego skroplenia rozpręŜonej pary,

−

3–4 – izochorycznego pompowania kondensatu w pompie,

−

4–1 – izobarycznego podgrzewania cieczy, jej odparowania oraz przegrzewania powstałej
pary w kotle parowym bądź wytwornicy pary.

Sprawność obiegu Clausiusa-Rankine’a jest znacznie mniejsza od sprawności obiegu Carnota.
Dlatego teŜ zmodyfikowano teoretyczny obieg siłowni parowej wprowadzając regenerację
ciepła.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposoby zwiększania sprawności siłowni parowych

Regeneracja ciepła w obiegach termodynamicznych polega na tym, Ŝe pewna ilość ciepła

pozostaje zachowana wewnątrz obiegu. W tym celu część pary pobiera się z upustu turbiny
i wykorzystuje do podgrzania kondensatu, co z kolei pozwala zaoszczędzić paliwo.

Najprostszy obieg regeneracyjny zawiera mieszalnik, w którym dochodzi do zmieszania

kondensatu  skroplonego  w  kondensatorze  z  parą  upustową.  W  wyniku  zmieszania  powstaje
ciecz  o  temperaturze  wyŜszej  od  temperatury  kondensatu,  który  opuszczał  skraplacz.
Sprawność  siłowni  parowych  moŜna  zatem  poprawiać  dzięki  parze  pobieranej  z  upustu
turbiny. Jednak ilość pary, jaka moŜe być wykorzystana do regeneracji jest ograniczona, gdyŜ
po  zmieszaniu  jej  z  kondensatem  musi  ona  ulec  całkowitemu  skropleniu.  Ponadto,  upust
regeneracyjny  naleŜy  umieścić  w  „odpowiednim  miejscu”  –  umieszczony  na  końcu  turbiny
dostarczałby  parę  o  zbyt  niskiej  temperaturze  (niewystarczającej do podgrzania kondensatu),
zaś  umieszczony  na  jej  początku  powodowałby,  Ŝe  pobrana  para  wykonywałaby  jedynie
niewielką  pracę.  Uzyskanie  znacznie  lepszych  efektów  w  zwiększaniu  sprawności  siłowni
parowych daje zastosowanie kilku upustów regeneracyjnych. Wymusza to jednak stosowanie
przeponowych  wymienników  ciepła,  gdyŜ  bezpośrednie  mieszanie  pary  wodnej  w  takiej
turbinie jest niepraktyczne (wymaga wielu pomp przetłaczających).

Przegrzew  wtórny  polega  na  tym,  iŜ  para  po  opuszczeniu  wysokopręŜnej  części  turbiny
ponownie kierowana jest do kotła w celu ponownego przegrzania. Zapobiega to skraplaniu się
pary we wnętrzu turbiny, zwiększając tym samym jej Ŝywotność.

Rys. 21.

Cykl w układzie p-V

Rys. 22.

Cykl w układzie T-s

Gazy wilgotne

Powietrzem wilgotnym nazywa się mieszaninę powietrza suchego i pary wodnej.

W zaleŜności od stanu pary wodnej w powietrzu, moŜna wyróŜnić:

−

powietrze nienasycone wilgocią, czyli powietrze zawierajęce parę przegrzaną,

−

powietrze nasycone wilgocią nie zamglone, czyli zawierające parę nasyconą suchą,

−

powietrze zamglone, czyli zawierające parę mokrą.

Podczas rozpatrywania powietrza wilgotnego stosuje się prawo Daltona. Pozwala ono na

oddzielenie rozpatrywanego powietrza suchego i pary wodnej. Traktuje się je wtedy jako dwa
składniki o tej samej temperaturze, znajdujące się w tym samym czasie w tej samej
przestrzeni:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

gdzie:

p – ciśnienie bezwzględne powietrza wilgotnego,
p

– bezwzględne ciśnienie cząsteczkowe powietrza suchego,

– bezwzględne ciśnienie cząsteczkowe pary wodnej.

Parametry określające powietrze wilgotne to wilgoć, wilgotność względna i współczynnik

wilgoci.

Wilgoć – to ilość kilogramów wody zawartych w 1 m

przestrzeni jaką zajmuje gaz wilgotny.

Para wodna występująca w powietrzu ma małe ciśnienie cząsteczkowe, dlatego powietrze
suche, parę przegrzaną, a takŜe parę nasyconą suchą moŜna traktować w trakcie obliczeń jako
gazy doskonałe; nie dotyczy to jednak pary mokrej.
Wilgotność względna (wilgotność powietrza) to stosunek gęstości pary wodnej

zawartej

w powietrzu wilgotnym (wilgoć) do gęstości pary nasyconej suchej

o tej samej

temperaturze:













, gdzie:

– wilgotno

ść

wzgl

dna, indeks t – oznacza, i

sto

ść

pary nasyconej suchej musi by

odczytana w tablicach dla temperatury jak

posiada powietrze

wilgotne.

Badaj

c ró

ne rodzaje mieszanin powietrza suchego i pary wodnej mo

na wysnu

kilka

wniosków:

−

poniewa

nienie pary przegrzanej p

jest zawsze ni

sze od ci

nienia pary nasyconej

suchej p

o tej samej temperaturze to wilgotno

ść

wzgl

dna powietrza nie nasyconego

wilgoci

jest zawsze mniejsza ni

−

wilgotno

ść

wzgl

dna izobarycznie ogrzewanego powietrza bardzo maleje,

−

wilgotno

ść

wzgl

dna nie zamglonego nasyconego wilgoci

powietrza jest równa 1,

−

wilgotno

ść

wzgl

dna powietrza zamglonego jest wi

ksza ni

1, za

nienie cz

stkowe

pary w powietrzu zamglonym jest równe ci

nieniu nasycenia odczytanemu dla

temperatury powietrza zamglonego.

Współczynnik wilgoci powietrza wilgotnego to stosunek ilo

ci kg pary wodnej zawartej

w powietrzu do ilo

ci kg powietrza suchego. Współczynnik ten ma wymiar:

suchego

powietrza

Najwi

kszy mo

liwy współczynnik wilgoci, jaki mo

e mie

w danych warunkach

powietrze nie zamglone oznaczamy jako X’’, a mamy z nim do czynienia w przypadku nie
zamglonego powietrza nasyconego wilgoci

. W przypadku powietrza nie nasyconego

wilgoci

X<X’’, za

dla powietrza zamglonego X>X’’.

Współczynnik wilgoci mo

na te

okre

jako stosunek g

sto

ci pary do g

sto

powietrza suchego:

622

⋅

−

⋅

−

⋅

gdzie:

– para przegrzana,

– para nasycona sucha.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Entalpia powietrza wilgotnego

Entalpię powietrza wilgotnego odnosi się do sumy 1 kg powietrza suchego i X kg wilgoci

przypadającej na 1 kg powietrza suchego:

⋅

)

(

gdzie:

– entalpia 1 kg powietrza suchego [kcal/mol],

– entalpia 1 kg pary wodnej [kcal/mol],

X – zawartość wilgoci [kg/kg].

Dla powietrza suchego i

wynosi:

⋅

gdzie:

– ciepło właściwe, w zakresie niskich temperatur c

=0,24 kcal/mol,

t – temperatura powietrza [°C]

stąd

⋅

, entalpia pary wodnej w niskich temperaturach:

595

na wi

c entalpi

I zapisa

⋅

595

Wykresy i–x powietrza wilgotnego

to wykresy w układzie entalpia – zawarto

ść

wilgoci.

Pozwalaj

one w łatwy sposób interpretowa

przeprowadzane rozwa

ana i obliczenia

zwi

zane z wilgotnym powietrzem, unikaj

c wielu

mudnych oblicze

W praktyce mamy do czynienia na ogół z powietrzem o ci

nieniu około 1 MPa. Rysunek

23 przedstawia wykres dla powietrza wilgotnego pod tym wła

nie ci

nieniem. Dlatego mo

z niego korzysta

tylko wtedy gdy ci

nienie powietrza wilgotnego zawiera si

w przedziale

0,097÷0,103 MPa.

Rys. 23.

Wykres i–x dla powietrza wilgotnego pod ciśnieniem 0,1MPa [11]

dnych tego wykresu to skala entalpii wła

ciwych, za

odci

tych dotyczy

współczynników wilgoci. Linie jednakowych entalpii wła

ciwych biegn

na wykresie

uko

nie, natomiast linie jednakowego współczynnika wilgoci to linie pionowe. Na wykresie

dwa obszary, mianowicie obszar mgły (obszar powietrza zamglonego) i obszar powietrza nie
nasyconego wilgoci

oddzielone s

od siebie krzyw

. Jest ona miejscem

geometrycznym punktów oznaczaj

cych nasycone wilgoci

powietrze nie zamglone.

Do typowych przemian izobarycznych powietrza wilgotnego zaliczy

na:

ogrzewanie lub chłodzenie przy stałym X,

mieszanie strug powietrza,

mieszanie gazu wilgotnego z wod

ciekł

lub par

wodn

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Teoretyczne podstawy procesów spalania

Surowcem wykorzystywanym w produkcji paliw dla silników okrętowych jest ropa

naftowa,  która  w  zaleŜności  od  pochodzenia  ma  róŜną  zawartość  składników,  istotnych
z  punktu  widzenia  przeznaczenia,  a  naleŜą  do  nich  m.in.:  lepkość,  gęstość,  temperatura
krzepnięcia,  zawartość  siarki.  W  stanie  surowym  ropa  praktycznie  nie  ma  Ŝadnego
zastosowania,  dopiero  proces  rafinacji  powoduje  wydzielenie  z  niej  wielu  cennych
produktów,  w  tym  paliw  i  olejów  okrętowych.  Najprostszym  przykładem  rafinacji  jest
podgrzewanie  ropy  w  wyniku  czego  dochodzi  do  odparowania  najlŜejszych  frakcji
w pierwszej kolejności, a następnie coraz cięŜszych. KaŜda odparowana frakcja jest następnie
poddana  kondensacji  drogą  schładzania.  Proces  taki  jest  przeprowadzany  w  wysokiej
kilkunastometrowej kolumnie w której najcięŜsze frakcje osadzają się na dole, najlŜejsze zaś
na górze.

Tabela 7.

Charakterystyka podstawowych paliw do wysokopręŜnych silników okrętowych [1]

Oleje gazowe

Okrętowe oleje

napędowe

Oleje cięŜkie

Własności

wartości średnie

wartości maksym.

Gęstość przy 20°C [kg/dm

]

0,83÷0,86

0,84÷0,90

0,99 i więcej

Lepkość przy 20°C [cSt]

4,0÷6,0

5,0÷15,0

3000

Zawartość siarki [%]

0,3÷1,0

0,5÷1,5

4,0

Zawartość popiołu [%]

ślady

0,005–0,025

0,12

Zawartość wody [%]

ślady

0,1

2,0

Ogromne potrzeby otrzymywania jak największych ilości benzyn z ropy naftowej

powodują, Ŝe obecnie powszechnie stosuje się w rafineriach tzw. kraking termiczny i kraking
katalityczny. Dzięki tym procesom uzyskuje się więcej lepszych i droŜszych paliw, natomiast
jakość tzw. paliw pozostałościowych tj. cięŜkich maleje m.in. ze względu na zanieczyszczenia
przedostające się do tego paliwa.

Wymagania dotyczące paliw zaleŜą od typu i wielkości silnika, na ogół na statkach

stosowane są trzy podstawowe typy:

−

olej gazowy (Gas Oil), mają zastosowanie we wszystkich silnikach wysokopręŜnych,
gdyŜ nie wymagają urządzeń oczyszczających (za wyjątkiem filtrów),

−

olej  napędowy  (Marine  Diesel  Oil),  stosuje  się  go  w  większości  silników
wysokopręŜnych  ze  wskazaniem  na  dodatkowe  oczyszczenie  w  wirówkach.  Ponadto  na
statku  istnieje  moŜliwość  przedostawania  się  wody  do  paliwa,  dlatego  stosuje  się
odwadnianie zbiorników paliwa, zwłaszcza zbiorników rozchodowych.

−

olej cięŜki (Heavy Fuel Oil), musi być przygotowany do uŜycia na statku przez
sedymentację grawitacyjną (osadzanie), wirowanie i filtrowanie.

Ze względu na duŜą ilość zanieczyszczeń, paliwa cięŜkie wymagają dokładnego procesu

oczyszczania,  a  naleŜą  do  nich  takie  procesy  jak:  podgrzewanie  i  odwadnianie  zbiorników
osadowych,  wirowanie  w  podwyŜszonej  temperaturze  70÷98°C  oraz  podgrzanie  paliwa
dostarczanego do silnika (90÷150°C), wszystko po to, aby osiągnąć optymalną lepkość paliwa
na dolocie do pomp wtryskowych.

Podstawowym kryterium charakteryzującym jakość paliwa jest lepkość. Jest to

właściwość ciał określająca wielkość siły oporu przy przesuwaniu względem siebie sąsiednich
warstw. W praktyce spotykane są zróŜnicowane jednostki lepkości i róŜne sposoby jej
wyznaczania. Lepkość paliwa zaleŜy w duŜym stopniu od temperatury. Gdy jest zbyt mała

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

moŜe spowodować zatarcie pomp wtryskowych, zaś zbyt duŜa uniemoŜliwia przepompowanie
paliwa. Zalecana wartość lepkości wynosi 10–15 cSt przed pompami wtryskowymi.

WaŜnym parametrem paliwa ciekłego jest teŜ wartość opałowa, która określa ilość ciepła

uzyskanego  ze  spalenia  całkowitego  i  zupełnego  1  kg  paliwa  po  ochłodzeniu  spalin  do
temperatury  początkowej  powietrza  i  paliwa,  zakładając,  Ŝe  woda  jako  produkt  spalania
wodoru  pozostaje  w  postaci  pary  (nie  odzyskujemy  ciepła  skraplania  tej  pary).  Jednostkowe
zuŜycie  paliwa  podaje  się  dla  typowej  wartości  opałowej  paliwa,  za  którą  przyjmuje  się
42707 kJ/kg jest to standardowa wartość opałowa paliwa.

Wraz ze wzrostem gęstości paliwa maleje jego wartość opałowa, gdyŜ zmniejsza się

wówczas  udział  ilości  atomów  wodoru,  a  rośnie  udział  ilości  atomów  węgla
w  węglowodorach  zawartych  w  paliwie  (wartość  opałowa  wodoru  jest  duŜo  większa  od
wartości opałowej węgla).

Samo spalanie to zjawisko chemiczne, które polega na szybkim łączeniu się palnych

składników  paliwa  z  tlenem  pobieranym  najczęściej  z  powietrza.  Podczas  tego  procesu
wyzwala  się  duŜa  ilości  ciepła  i  ewentualnie  światła.  Składnikami  palnymi  paliw,  które
utleniają  się  podczas  spalania  są:  węgiel  C,  wodór  H,  siarka  S  oraz  niektóre  związki
chemiczne tych pierwiastków: metan CH

, tlenek węgla CO.

Przebieg spalania podstawowych składników paliwa moŜna przedstawić następująco:

−

Podczas spalania węgla C jeden jego atom łączy się z dwoma atomami tlenu O, tworząc
cząsteczkę niepalnego dwutlenku węgla, wg równania C + O

= CO

−

W trakcie spalania wodoru dwie cząsteczki wodoru i jedna cząsteczka tlenu daje dwie
cząsteczki wody w postaci pary wodnej wg równania: 2H

+ O

= 2H

−

Proces spalania siarki odbywa się wg równania: S + O

= SO

tworzy się przy tym

dwutlenek siarki.

−

Spalanie metanu ma przebieg: CH

+ 2O

= CO

+ 2H

O. Powstaje dwutlenek węgla

i para wodna.

Podczas kaŜdej z podanych wyŜej reakcji wydziela się ciepło.

W zaleŜności od warunków, w których odbywa się spalanie, mamy do czynienia ze

spalaniem całkowitym, niecałkowitym, zupełnym lub niezupełnym.

−

spalanie całkowite polega na tym, Ŝe spalaniu ulega cala masa paliwa,

−

spalanie niecałkowite zachodzi wówczas, gdy w pozostałych po spaleniu ciałach stałych
znajdują się jeszcze nie związane chemicznie pierwiastki substancji palnej,

−

spalanie zupełne to spalanie, w wyniku którego zawarty w paliwie węgiel, wodór, siarka,
metan, spalają się na dwutlenek węgla, parę wodną i dwutlenek siarki.

−

spalanie niezupełne występuje wtedy, gdy w gazach spalinowych znajdują się jeszcze nie
spalone gazy palne, np. H

, CO.

Znajomość ilości oraz skład powstających spalin przy spalaniu paliwa o danym składzie

daje nam moŜliwość właściwego zaprojektowania urządzenia, w którym zachodzi proces
spalania.

Podczas procesu spalania bierze udział masa palna paliwa razem z zawartą w nim

wilgocią oraz uŜyta do spalania rzeczywista ilość powietrza (Paliwa ciekłe charakteryzują się
duŜą wartością opałową oraz brakiem popiołu i wilgoci). Wspólna masa tych składników
przekłada się na ilość otrzymywanych spalin. W skład spalin nie wchodzą natomiast zawarte
w paliwie części niepalne.

Do pomiaru składu spalin wykorzystuje się zazwyczaj analizator chemiczny zwany

aparatem Osrata. Mierzy on objętościowy skład spalin suchych, czyli skład jaki miałyby
spaliny, gdyby usunięto z nich H

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jakie rodzaje spręŜarek stosuje się w przemyśle?

Jak jest zbudowana spręŜarka wielostopniowa?

Co rozumiemy pod pojęciem „gazy wilgotne”?

Czym jest entalpia powietrza wilgotnego i w jaki sposób przedstawia się ją na
wykresach?

Jakie parametry charakteryzują paliwa silników wysokopręŜnych?

Od czego zaleŜy skład spalin?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Na podstawie otrzymanych foliogramów, instrukcji obsługi spręŜarek tłokowych

i wirnikowych, a takŜe ich dokumentacji technicznej rozróŜnij rodzaje spręŜarek oraz wyjaśnij
zasadę ich pracy. Podaj zastosowanie tego typu spręŜarek w okrętownictwie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zapoznać się z otrzymaną dokumentacją techniczną oraz instrukcjami obsługi spręŜarek,

rozróŜnić rodzaje spręŜarek na podstawie ich budowy (foliogramy),

wyjaśnić na podstawie wykresów zasadę pracy spręŜarek jedno i wielostopniowych,

wyjaśnić od czego zaleŜy sprawność objętościowa spręŜarek,

podać kilka przykładów zastosowania spręŜarek w okrętownictwie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

foliogramy z róŜnymi typami spręŜarek,

−

foliogramy z wykresami pracy spręŜarek,

−

instrukcje obsługi spręŜarek tłokowych i wirnikowych,

−

dokumentacja techniczna,

−

przybory do pisania.

Ćwiczenie 2

Posługując się wykresem Ramzina-Molliera (i–x) oraz wiedząc, Ŝe:

powietrze w pomieszczeniu ma wilgotność względną 50% i temperaturę 35°C,

entalpia powietrza wynosi 33 kcal/kg powietrza suchego, zaś zawartość wilgoci jest
równa 36g H

O/kg powietrza suchego,

ciśnienie parcjalne pary wodnej w powietrzu to 50 mmHg, a entalpia tego powietrza
wynosi 40 kcal/kg powietrza suchego.
Znajdź wskazane dane.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zapoznać się z konstrukcją wykresu i-x,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

odczytać z wykresu brakujące dane, które wskaŜe Ci nauczyciel, mogą to być
(w zaleŜności od treści zadania) parametry podane poniŜej:
p

– ciśnienie cząstkowe pary w wilgotnym powietrzu [mmHg],

X – zawartość wilgoci w kg na kg suchego powietrza [kg/kg],
t – temperatura [°C],
I – entalpia powietrza suchego [kcal/kg],

– wilgotność względna [%],

zapisać odczytane wyniki.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

wykresy i–x powietrza wilgotnego (wykresy Ramzina-Molliera i-x),

−

arkusze papieru,

−

przybory do pisania.

Ćwiczenie 3

Korzystając z charakterystyk róŜnych paliw, wyjaśnij jakie jest zapotrzebowanie

powietrza podczas procesów spalania dla paliw ciekłych, stałych i gazowych. Porównaj ich
wartość opałową. Podczas omawiania zwróć szczególną uwagę na paliwa wysokopręŜnych
silników okrętowych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

dokładnie przejrzeć otrzymane tablice z charakterystykami róŜnych paliw,

odszukać informacje nt. zapotrzebowania powietrza podczas procesu spalania oraz
wartości opałowe paliw,

omówić (zinterpretować) na forum grupy wspomniane parametry w czasie 5÷10 minut.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

tablice parametrów róŜnych paliw: ciekłych, stałych i gazowych,

−

tablice charakterystyk paliw wysokopręŜnych silników okrętowych,

−

tablica, przyrządy do pisania.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

wyjaśnić zasadę pracy spręŜarek tłokowych i wirnikowych?

zinterpretować wykresy pracy spręŜarek oraz podać ich zastosowanie
w okrętownictwie?

omówić obieg siłowni parowej?

podać sposoby zwiększania sprawności siłowni parowych?

scharakteryzować parametry powietrza wilgotnego?

odczytać informacje na wykresie i–x powietrza wilgotnego?

wyjaśnić procesy spalania?

podać informacje o paliwach stosowanych w siłowniach okrętowych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

Przeczytaj uwaŜnie instrukcję.

Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.

Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.

Test zawiera 20 zadań i sprawdza Twoje wiadomości dotyczące posługiwania się
pojęciami z zakresu termodynamiki. Tylko jedna odpowiedź do kaŜdego zadania jest
prawidłowa.

Udzielaj odpowiedzi tylko na załączonej karcie odpowiedzi. Zakreśl prawidłową
odpowiedź.

JeŜeli się pomylisz, błędną odpowiedź weź w kółko i zakreśl odpowiedź prawidłową.
JeŜeli zakreślisz więcej niŜ jedną odpowiedź do jednego zadania, nie zostanie ono
ocenione.

Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.

Kiedy udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, odłóŜ jego rozwiązanie
na później; wrócisz do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.

Na rozwiązanie testu masz 45 minut.

Powodzenia!

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Ilość substancji, nazywana inaczej licznością materii, to jedna z podstawowych wielkości

fizycznych układu SI, której jednostkę wyraŜamy jako
a)

mol.

cd.

kg.

2. Jednostka









⋅

odnosi się bezpośrednio do

ciśnienia [Pa].

siły [N].

pracy [J].

mocy [W].

3. Prawie wszystkie substancje mogą przechodzić z jednego stanu skupienia w inny.

Przejście fazowe ze stanu stałego w gazowy to
a)

topnienie.

sublimacja.

resublimacja.

parowanie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. Aby móc przeprowadzić określone rozwaŜania dotyczące pewnej części przestrzeni

materialnej, ograniczonej pewną powierzchnią, naleŜy posłuŜyć się w tej sytuacji
pojęciem
a)

gazów doskonałych.

energii.

układu termodynamicznego.

parametru.

5. JeŜeli wymiana ciepła zachodzi w obrębie tego samego ciała, w którym istnieją dwie

róŜne temperatury to proces ten określa się w termodynamice jako
a)

przewodzenie lub konwekcja ciepła.

promieniowanie ciepła.

przejmowanie i przenikanie ciepła.

nie jest moŜliwe, aby w obrębie tego samego ciała istniały dwie róŜne temperatury.

6. Czynnikiem biorącym udział podczas wymiany ciepła na statku jest

woda słodka i kotłowa, woda morska.

olej smarowy, paliwa lekkie i cięŜkie.

para wodna: mokra, przegrzana, nasycona.

wszystkie czynniki wymienione wyŜej łącznie ze spalinami z kotłów i silników
spalinowych.

7. Równanie stanu gazu doskonałego podane przez Clapeyron’a określa związek pomiędzy

następującymi parametrami stanu
a)

ciśnieniem i objętością.

objętością i temperaturą.

temperaturą i ciśnieniem.

ciśnieniem, objętością i temperaturą.

8. Zgodnie z prawem Gay-Lussaca, przy wszelkich zmianach stanu gazu

pod stałym ciśnieniem, objętość danej masy gazu jest wprost proporcjonalna do jego
temperatury bezwzględnej.

przy stałej objętości gazu stosunek ciśnienia i temperatury danej masy gazu jest stały.

w stałej temperaturze, przy wszelkich zmianach ciśnienia i objętości danej masy
gazu, iloczyn ciśnienia i objętości jest wielkością stałą.

prawo Gay-Lussaca nie dotyczy gazów.

9. Energia wewnętrzna gazu doskonałego i półdoskonałego zaleŜy

tylko od jego temperatury, a nie zaleŜy od jego ciśnienia i objętości.

tylko od jego ciśnienia, a nie zaleŜy od jego temperatury.

od jego temperatury i ciśnienia.

nie da się jednoznacznie określić.

10. Zachowanie mieszanin gazów, np. w postaci spalin otrzymywanych przy spalaniu paliw,

opisuje prawo
a)

Boyle’a.

Mariotte’a.

Charlesa.

Daltona.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

11. Przedstawiony na wykresie proces termodynamiczny, zaleŜny od sposobu doprowadzenia

lub odprowadzenia ciepła dotyczy

przemiany izochorycznej.

przemiany izobarycznej.

przemiany izotermicznej.

przemiany politropowej.

12. Podczas badania przemian termodynamicznych stosuje się często metodę graficzną,

polegającą na sporządzaniu wykresów. Najczęściej stosowany jest układ pracy określany
jako układ
a)

i-s.

T-s.

p-v.

i-x.

13. Jeśli podczas podgrzewania czystej wody doprowadzimy do jej wrzenia i naczynie

będziemy wciąŜ podgrzewać to
a)

temperatura nie będzie juŜ wzrastać.

temperatura gwałtownie wzrośnie.

nastąpi skraplanie.

będzie powstawało coraz więcej pary, a po całkowitym odparowaniu cieczy nastąpi
dalszy wzrost temperatury.

14. Obliczając parametry par nasyconych i przegrzanych najmniej czasochłonnym

i najbardziej rozpowszechnionym sposobem jest
a)

wykorzystanie równania stanu gazu rzeczywistego.

skorzystanie z zaleŜności aproksymacyjnych.

uŜycie tablic termodynamicznych.

nie ma znaczenia, gdyŜ wszystkie sposoby wymagają czasu i precyzji.

15. Termodynamiczny parametr stanu układu, który w interpretacji statystycznej, określa

stopień nieuporządkowania układu tj. stopień jego wyjątkowości rozumiemy jako
a)

pracę techniczną.

pracę zewnętrzną.

entropię.

entalpię.

16.

sytuacji, kiedy układ termodynamiczny, po cyklu kolejnych przemian czynnika, wraca

do stanu wyjściowego, mamy do czynienia
a)

z obiegiem termodynamicznym Diesla.

z obiegiem termodynamicznym Carnota.

z termodynamicznym obiegiem porównawczym.

ogólnie z termodynamicznym obiegiem, który moŜna przedstawić w układzie pracy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

17. Odwracalny obieg o największym znaczeniu w termodynamice, który w układzie p-v

składa się z dwóch odcinków izoterm i z dwóch odcinków adiabat nazywamy obiegiem
a)

Sabathe’a.

Carnota.

Otta.

Clapeyrona.

18. Przedstawiony na wykresie p-v przebieg spręŜania dotyczy

teoretycznej spręŜarki tłokowej.

teoretycznej spręŜarki wirnikowej.

rzeczywistej spręŜarki tłokowej.

rzeczywistej spręŜarki wirnikowej.

19. Które z podanych niŜej równań, dotyczące spalania metanu jest zapisane prawidłowo

+ 2O

= CO

+ 2H

2CH

+ 2O

= CO

+ 2H

2CH

+ O

= 2CO

+ H

2CH

+ 2O

= 2CO

+ 2H

20. Spalanie zupełne to spalanie w wyniku, którego

zawarty w paliwie węgiel, wodór, siarka, metan, spalają się na dwutlenek węgla, parę
wodną i dwutlenek siarki.

po spaleniu, w pozostałych ciałach stałych znajdują się jeszcze nie związane
chemicznie pierwiastki substancji palnej.

w gazach spalinowych znajdują się jeszcze nie spalone gazy palne, np. H

, CO.

nie występuje w rzeczywistości ten rodzaj spalania.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko..........................................................................................

Posługiwanie się pojęciami z zakresu termodynamiki

Zakreśl poprawną odpowiedź

zadania

Odpowiedź

Punkty

Razem: