Termodinamik döngü - Thermodynamic cycle

Bir termodinamik döngü , sistem içindeki basınç, sıcaklık ve diğer durum değişkenlerini değiştirirken sisteme ısı transferini ve sistemin içine ve dışına çalışmasını içeren bağlantılı bir termodinamik süreçler dizisinden oluşur ve sonunda sistemi başlangıç ​​durumuna döndürür . Bir döngüden geçme sürecinde, çalışma sıvısı (sistem) ısıyı sıcak bir kaynaktan faydalı işe dönüştürebilir ve kalan ısıyı soğuk bir lavaboya atarak bir ısı motoru görevi görebilir . Tersine, döngü tersine çevrilebilir ve ısıyı soğuk bir kaynaktan taşımak ve onu sıcak bir lavaboya aktarmak için iş kullanabilir, böylece bir ısı pompası görevi görebilir . Döngünün her noktasında, sistem termodinamik dengededir , bu nedenle döngü tersine çevrilebilir (entropi bir durum fonksiyonu olduğundan entropi değişimi sıfırdır).

Kapalı bir döngü sırasında, sistem orijinal termodinamik sıcaklık ve basınç durumuna geri döner. Isı ve gibi işlem miktarları (veya yol miktarları) sürece bağlıdır. Sistemin başlangıç ​​durumuna döndüğü bir döngü için termodinamiğin birinci yasası geçerlidir:

Yukarıdakiler, döngü boyunca sistemin enerjisinde herhangi bir değişiklik olmadığını belirtir. E in , döngü sırasında iş ve ısı girdisi olabilir ve E out , döngü sırasında iş ve ısı çıkışı olabilir. Termodinamiğin birinci yasası net ısı girişi döngüsü boyunca net çalışma çıkışına eşit olduğu da dikte (biz, ısı Q hesabı olarak pozitif ve Q, üzerinden negatif olarak). Proses yolunun tekrar eden doğası, sürekli çalışmaya izin vererek, çevrimi termodinamikte önemli bir kavram haline getirir . Termodinamik döngüler, gerçek bir cihazın işleyişinin modellenmesinde genellikle matematiksel olarak yarı statik süreçler olarak temsil edilir .

Isı ve iş

Termodinamik çevrimlerin iki ana sınıfı, güç çevrimleri ve ısı pompası çevrimleridir . Güç çevrimleri, ısı girdisinin bir kısmını mekanik bir iş çıktısına dönüştüren çevrimlerdir , ısı pompası çevrimleri ise, mekanik işi girdi olarak kullanarak ısıyı düşükten yüksek sıcaklıklara aktarır. Tamamen yarı statik süreçlerden oluşan çevrimler, işlem yönünü kontrol ederek güç veya ısı pompası çevrimleri olarak çalışabilir. Bir basınç-hacim (PV) diyagramında veya sıcaklık-entropi diyagramında , saat yönünde ve saat yönünün tersine yönler sırasıyla güç ve ısı pompası döngülerini gösterir.

İş ilişkisi

Net iş, içerideki alana eşittir çünkü (a) genleşme nedeniyle madde üzerinde yapılan Riemann toplamı, eksi (b) yeniden sıkıştırmak için yapılan iştir.

Termodinamik döngü sırasında durum özelliklerindeki net değişim sıfır olduğundan, bir PV diyagramında kapalı bir döngü oluşturur . Bir PV diyagramının Y ekseni basıncı ( P ) ve X ekseni hacmi ( V ) gösterir . Döngünün çevrelediği alan , işlem tarafından yapılan iştir ( W ):

Bu iş, sisteme aktarılan ısı dengesine (Q) eşittir:

Denklem (2), bir izotermal sürece benzer döngüsel bir işlem yapar: döngüsel süreç boyunca iç enerji değişse de, döngüsel süreç bittiğinde sistemin enerjisi, işlem başladığında sahip olduğu enerjiyle aynıdır.

Döngüsel süreç döngü etrafında saat yönünde hareket ederse, W pozitif olacaktır ve bir ısı motorunu temsil eder . Saat yönünün tersine hareket ederse, W negatif olur ve bir ısı pompasını temsil eder .

Döngüdeki her nokta

Termodinamik döngülerdeki her noktanın açıklaması.

Otto Çevrimi

  • 1 → 2: İzantropik genişletme: Sabit entropi (s), azalış basınç (P) artış hacmi (v) azalış sıcaklığında (T)
  • 2 → 3: İzokorik soğutma: Sabit hacim (v), Basınçta azalma (P), Entropide azalma (S), Sıcaklıkta azalma (T)
  • 3 → 4: İzantropik sıkıştırma: Sabit entropi (ler), Basınçta artış (P), Hacimde azalma (v), Sıcaklıkta artış (T)
  • 4 → 1: İzokorik ısınma: Sabit hacim (v), Basınçta artış (P), Entropide artış (S), Sıcaklıkta artış (T)

Termodinamik süreçlerin listesi

  • Adyabatik : Döngünün bu bölümünde ısı (Q) olarak hiçbir enerji transferi δQ = 0 olacaktır. Enerji transferi yalnızca sistem tarafından yapılan iş olarak kabul edilir.
  • İzotermal : İşlem, döngünün bu bölümünde sabit bir sıcaklıktadır (T = sabit, δT = 0). Enerji transferi, sistemden çıkarılan ısı veya sistem tarafından yapılan iş olarak kabul edilir.
  • İzobarik : Döngünün bu bölümündeki basınç sabit kalacaktır. (P = sabit, δP = 0). Enerji transferi, sistemden çıkarılan ısı veya sistem tarafından yapılan iş olarak kabul edilir.
  • İzokorik : İşlem sabit hacimdir (V = sabit, δV = 0). Enerji transferi, sistemden çıkarılan ısı veya sistem tarafından yapılan iş olarak kabul edilir.
  • İzantropik : Süreç, sabit entropi sürecidir (S = sabit, δS = 0). Enerji transferi yalnızca sistemden çıkarılan ısı olarak kabul edilir; sistem tarafından / sisteme fiziksel çalışma yapılmaz.
  • Isenthalpic : entalpi veya spesifik entalpide herhangi bir değişiklik olmadan ilerleyen süreç
  • Politropik : ilişkiye uyan süreç:
  • Tersinir : entropi üretiminin sıfır olduğu süreç

Güç döngüleri

Isı motoru şeması.

Termodinamik güç çevrimleri, dünyadaki elektrik gücünün çoğunu sağlayan ve motorlu araçların büyük çoğunluğunu çalıştıran ısı motorlarının çalışmasının temelini oluşturur . Güç çevrimleri iki kategoriye ayrılabilir: gerçek çevrimler ve ideal çevrimler. Gerçek dünya cihazlarında (gerçek döngüler) karşılaşılan döngüleri, karmaşık etkilerin (sürtünme) varlığı ve denge koşullarının oluşturulması için yeterli zamanın olmaması nedeniyle analiz etmek zordur. Analiz ve tasarım amacıyla idealleştirilmiş modeller (ideal döngüler) oluşturulur; Bu ideal modeller, mühendislerin, gerçek döngü modelinde bulunan karmaşık ayrıntıları çalışmak için önemli bir zaman harcamak zorunda kalmadan döngüye hakim olan ana parametrelerin etkilerini incelemelerine olanak tanır.

Güç çevrimleri, modellemek istedikleri ısı motorunun türüne göre de bölünebilir. Modellemek için kullanılan en yaygın döngüleri , içten yanmalı motorlar olan Otto çevrimi , model benzinli motorlar ve dizel döngüsü , model dizel motorlar . Döngüleri model, dıştan yanmalı motorlar dahil Brayton çevrimi , model gaz türbinleri , Rankine devresinde , model buhar türbinleri , Stirling çevrimi , model sıcak hava motorları ve Ericsson döngüsü , ayrıca model sıcak hava motorları.

Oklarla gösterilen saat yönünde termodinamik döngü, döngünün bir ısı motorunu temsil ettiğini gösterir. Döngü dört durumdan (çarpılarla gösterilen nokta) ve dört termodinamik süreçten (çizgiler) oluşur.

Örneğin: - 4 termodinamik süreçten oluşan ideal Stirling döngüsünden (net çalışma) basınç-hacim mekanik iş çıktısı:

İdeal Stirling döngüsü için 4-1 ve 2-3 işlemlerinde hacim değişikliği olmaz, bu nedenle denklem (3) aşağıdakileri basitleştirir:

Isı pompası döngüleri

Termodinamik ısı pompası döngüleri, ev tipi ısı pompaları ve buzdolapları için modellerdir . İkisi arasında hiçbir fark yoktur, ancak buzdolabının amacı çok küçük bir alanı soğutmak iken, ev tipi ısı pompası bir evi ısıtmak içindir. Her ikisi de ısıyı soğuk bir alandan sıcak bir alana taşıyarak çalışır. En yaygın soğutma döngüsü, faz değiştiren soğutucu akışkanlar kullanan sistemleri modelleyen buhar sıkıştırma döngüsüdür . Emme sistemli soğutucu çevrim uçurulması yerine bir sıvı çözelti içinde soğutucu emen bir alternatiftir. Gaz soğutma çevrimleri, tersine çevrilmiş Brayton çevrimini ve Hampson-Linde çevrimini içerir . Çoklu sıkıştırma ve genleşme döngüleri, gaz soğutma sistemlerinin gazları sıvılaştırmasına izin verir .

Gerçek sistemlerin modellenmesi

İdealleştirilmiş bir süreçle modellenen gerçek bir sistem örneği: Bir gaz türbini motorunun gerçek süreçleriyle eşlenen bir Brayton çevriminin PV ve TS diyagramları

Termodinamik çevrimler, tipik olarak bir dizi varsayım yaparak gerçek cihazları ve sistemleri modellemek için kullanılabilir. Problemi daha yönetilebilir bir biçime indirmek için varsayımları basitleştirmek genellikle gereklidir. Örneğin, şekilde gösterildiği gibi, bir gaz türbini veya jet motoru gibi cihazlar, Brayton çevrimi olarak modellenebilir . Gerçek cihaz, her biri idealleştirilmiş bir termodinamik süreç olarak modellenen bir dizi aşamadan oluşur. Çalışma sıvısı üzerinde hareket eden her aşama karmaşık bir gerçek cihaz olsa da, gerçek davranışlarına yaklaşan idealleştirilmiş süreçler olarak modellenebilirler. Enerji yanma dışındaki yollarla eklenirse, egzoz gazlarının atık ısıyı ortama batıracak bir ısı eşanjörüne geçeceği ve çalışma gazının giriş aşamasında yeniden kullanılacağı başka bir varsayımdır.

İdealleştirilmiş bir döngü ile gerçek performans arasındaki fark önemli olabilir. Örneğin, aşağıdaki resimler, ideal bir Stirling döngüsü ve bir Stirling motorunun gerçek performansı tarafından tahmin edilen iş çıktısındaki farklılıkları göstermektedir :

Stirling Döngüsü.svg PV plot adiab sim.png PV real1.PNG
İdeal Stirling döngüsü Gerçek performans İş çıktısında farklılık gösteren gerçek ve ideal kaplama

Bir döngünün net iş çıktısı döngünün içinde temsil edildiğinden, ideal döngünün tahmin edilen iş çıktısı ile gerçek bir motor tarafından gösterilen gerçek iş çıktısı arasında önemli bir fark vardır. Gerçek bireysel süreçlerin idealize edilmiş emsallerinden farklılaştığı da görülebilir; örneğin, izokorik genişleme (işlem 1-2) bazı gerçek hacim değişiklikleri ile ortaya çıkar.

İyi bilinen termodinamik çevrimler

Pratikte, basit idealleştirilmiş termodinamik çevrimler genellikle dört termodinamik işlemden oluşur . Herhangi bir termodinamik işlem kullanılabilir. Bununla birlikte, idealleştirilmiş çevrimler modellendiğinde, genellikle bir durum değişkeninin sabit tutulduğu süreçler kullanılır, örneğin bir izotermal süreç (sabit sıcaklık), izobarik süreç (sabit basınç), izokorik süreç (sabit hacim), izantropik süreç (sabit entropi) veya bir izentalpik süreç (sabit entalpi). Çoğu zaman , ısı alışverişinin olmadığı adyabatik işlemler de kullanılır.

Bazı örnek termodinamik çevrimler ve bunları oluşturan süreçler aşağıdaki gibidir:

Döngü Sıkıştırma, 1 → 2 Isı ilavesi, 2 → 3 Genişleme, 3 → 4 Isı reddi, 4 → 1 Notlar
Normalde harici yanmalı güç çevrimleri - veya ısı pompası çevrimleri:
Bell Coleman adyabatik izobarik adyabatik izobarik Ters bir Brayton çevrimi
Carnot izantropik izotermal izantropik izotermal Carnot ısı motoru
Ericsson izotermal izobarik izotermal izobarik 1853'ten ikinci Ericsson döngüsü
Rankine adyabatik izobarik adyabatik izobarik Buhar makinesi
Higroskopik adyabatik izobarik adyabatik izobarik Higroskopik döngü
Scuderi adyabatik değişken basınç
ve hacim
adyabatik izokorik
Stirling izotermal izokorik izotermal izokorik Stirling motoru
Manson izotermal izokorik izotermal izokorik sonra adyabatik Manson-Guise Motoru
Stoddard adyabatik izobarik adyabatik izobarik
Normalde içten yanmalı güç çevrimleri :
Brayton adyabatik izobarik adyabatik izobarik Jet motoru . Bu döngünün dıştan yanmalı versiyonu, 1833'ten itibaren ilk Ericsson döngüsü olarak bilinir .
Dizel adyabatik izobarik adyabatik izokorik Dizel motor
Lenoir izokorik adyabatik izobarik Darbe jetleri . 1 → 2, hem ısı reddini hem de sıkıştırmayı başarır.
Otto izantropik izokorik izantropik izokorik Benzinli / benzinli motorlar

İdeal döngü

İdeal çevrim ısı motorunun bir gösterimi (saat yönünde oklar).

İdeal bir döngü şunlardan oluşur:

  1. Döngünün ÜST ve ALT: bir çift paralel izobarik süreç
  2. Döngünün SOL ve SAĞ: bir çift paralel izokorik süreç

Bir döngünün farklı bölümlerinden geçen mükemmel bir gazın iç enerjisi:

İzotermal:

İzokorik:

İzobarik:

Carnot döngüsü

Carnot döngüsü tamamen oluşan bir döngüdür tersinir işlemler arasında izentropik sıkıştırma ve genleşme ve izotermal ısı ilavesi ve ret. Termal verimlilik Carnot döngüsü sadece ısı aktarma gerçekleşir ve güç döngüsü için olan iki rezervuar mutlak sıcaklığına bağlıdır:

en düşük döngü sıcaklığı ve en yüksek nerede . Carnot güç çevrimleri için bir ısı pompasının performans katsayısı şu şekildedir :

ve bir buzdolabı için performans katsayısı:

Termodinamiğin ikinci yasası, tüm döngüsel cihazların verimliliğini ve COP değerini Carnot verimliliğindeki veya altındaki seviyelerle sınırlar. Stirling çevrimi ve Ericsson çevrimi kullanımı yenilenmesi izotermal ısı transferini elde etmek için bu iki tersinir çevrimlerdir.

Stirling döngüsü

Bir Stirling döngüsü, adyabatların izotermlerle yer değiştirmesi dışında Otto döngüsü gibidir. Aynı zamanda, sabit hacimli işlemler yerine izobarik süreçlerin kullanıldığı bir Ericsson döngüsü ile aynıdır.

  1. Döngünün TOP ve ALT: bir çift yarı paralel izotermal süreç
  2. Döngünün SOL ve SAĞ tarafları: bir çift paralel izokorik süreç

Isı, üst izoterm ve sol izokor yoluyla döngü içine akar ve bu ısının bir kısmı, alt izoterm ve sağ izofordan geri akar, ancak ısı akışının çoğu, izoterm çiftinden geçer. Bu mantıklıdır çünkü döngü tarafından yapılan tüm işler Q = W ile tanımlanan izotermal süreçler çifti tarafından yapılır . Bu, tüm net ısının üst izotermden geldiğini gösterir. Aslında, sol izokordan gelen tüm ısı, sağ izokordan çıkar: üst izotermin tümü aynı daha sıcak sıcaklıkta olduğundan ve alt izotermin tümü aynı daha soğuk sıcaklıktadır ve çünkü bir izokor, sıcaklıktaki değişimle orantılıdır, ardından sol izokordan gelen tüm ısı, tam olarak sağ izokordan çıkan ısı ile iptal edilir.

Durum fonksiyonları ve entropi

Eğer Z, a, durum fonksiyonu daha sonra dengesi Z siklik işlem sırasında değişmeden kalır:

.

Entropi bir durum işlevidir ve şu şekilde tanımlanır:

Böylece

,

daha sonra herhangi bir döngüsel işlem için,

bir döngü boyunca çalışma akışkanının net entropi değişiminin sıfır olduğu anlamına gelir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

  • Halliday, Resnick ve Walker. Temel Fizik , 5. baskı. John Wiley & Sons, 1997. Bölüm 21, Entropi ve Termodinamiğin İkinci Yasası .
  • Çengel, Yunus A. ve Michael A. Boles. Termodinamik: Bir Mühendislik Yaklaşımı , 7th ed. New York: McGraw-Hill, 2011. Baskı.
  • Hill ve Peterson. "İtme Mekaniği ve Termodinamiği", 2. baskı. Prentice Hall, 1991. 760 s.

Dış bağlantılar