Ciclul Otto Si Trinkler

download Ciclul Otto Si Trinkler

If you can't read please download the document

  • date post

    25-Oct-2015
  • Category

    Documents

  • view

    116
  • download

    24

Embed Size (px)

Transcript of Ciclul Otto Si Trinkler

  • 7. METODE TERMODINAMICE DE STUDIU

    Cnd se vorbete despre metoda termodinamic de studiu a fenomenelor fizice, se are n vedere studiul care se bazeaz pe folosirea primului i celui de-al doilea principiu al termodinamicii. Folosirea principiilor termodinamicii pentru rezolvarea unor probleme fizice concrete se face n termodinamica proceselor reversibile prin doua metode: metoda proceselor ciclice (metoda ciclurilor) i metoda potentialelor termodinamice (sau a funciilor caracteristice) 7.1. Metoda proceselor ciclice Metoda proceselor ciclice sau pe scurt metoda ciclurilor are dou aspecte: a) Metoda ciclurilor aplicat n vederea obinerii unor relaii ntre diverse mrimi termodinamice care caracterizeaz un sistem; b) Metoda ciclurilor aplicat la mainile termice. n primul caz (a), alegerea procesului ciclic de studiu este numai un mijloc metodic care urmrete s uureze obinerea unor relaii ntre diverse mrimi termodinamice ale unui sistem (calduri specifice la gaze reale, presiunea i temperatura de vaporizare a unui agent termic, etc.). Aceste relaii se pot obine i prin metaoda potenialelor termodinamice. n al doilea caz (b), nsui ciclul termodinamic este procesul fundamental care sta la baza funcionrii mainii termice studiate (motor cu ardere intern, instalaie de turbine cu gaze, instalaii frigorifice, etc.). Metoda urmrete tocmai studierea acestui ciclu din diverse puncte de vedere: aflarea mrimilor de stare n puncte caracteristice ale ciclului, aflarea lucrului mecanic pe ciclu, determinarea eficienei ciclului. 7.1.1. Metoda ciclurilor aplicat pentru determinarea unor relaii fizice. Ideea metodei ciclurilor este urmtoarea: pentru stabilirea unei legi determinate a unui fenomen se studiaz un ciclu reversibil, convenabil ales i acestui ciclu i se aplic ecuaia primului principiu al termodinamicii:

    Q L= 7.1 i ecuaia celui de-al doilea principiu al termodinamicii:

    QT

    rev = 0 7.2 Cu ajutorul acestor ecuaii se poate ajunge la legea cutat, dac ciclul este astfel ales nct s existe posibilitatea de a calcula mrimile necesare ce intr n relaiile 7.1 i 7.2. Dac ne imaginm c sistemul efectueaz un ciclu Carnot (cum se face deseori), atunci ecuaia 7.2. este nlocuit cu expresia randamentului ciclului Carnot. Adic, randamentul ciclului dedus pentru o problem concret, se egaleaz cu

    randamentul ciclului Carnot: = 1 21

    TT

    Din punct de vedere istoric, metoda ciclurilor este cea mai veche metod de cercetri termodinamice. Carnot, Clausius, Nernst au folosit numai aceast metod. Metoda ciclurilor, pe de o parte, principial, poate fi folosit pentru rezolvarea oricrei probleme, dar pe de alta parte are un neajuns destul de mare deoarece pentru stabilirea unei legi, de fiecare dat trebuie ales un ciclu convenabil. Succesul rezolvrii problemei depinde aadar, de alegerea ciclului care nu este determinat n nici-un fel.

    1

  • Aplicatie: Stabilirea cu metoda ciclurilor dependena tensiunii superficiale de temperatur.

    Fig.7.1

    Considerm un ciclu Carnot efectuat de o pelicul de de lichid pe o ram de srm. n diagrama (,) cu tensiunea superficial i suprafaa peliculei este reprezentat ciclul. Se ntinde pelicula izoterm din starea (1) pn n starea (2). Din experien se tie c tensiunea superficial nu variaz;pentru ca procesul s decurg izoterm se transmite peliculei cldura Q la temperatura T. Se ntinde adiabatic pelicula pn n starea (3); n acest caz temperatura scade cu dT, iar tensiunea superficiala se mrete cu d. Apoi se d posibilitatea peliculei s se comprime, la nceput izoterm pn n starea (4) cnd cedeaz cldura Q2 I apoi adiabatic pn n starea (1). n acest ciclu pelicula a efectuat un lucru mecanic L=Q1 - Q2, care pe diagram este egal cu aria ciclului. Deoarece ciclul este parcurs n sens invers, lucrul mecanic va fi negativ: L d= ( ) 2 1

    = = LQ

    dQ

    ( ) 2 1 7.3 pentru c pelicula a efectuat un ciclu Carnot, randamentul va fi:

    = =T T dTT

    dTT

    ( ) 7.4

    Ca urmare:

    =( ) 2 1 dQ

    dTT

    7.5

    i rezult:

    = =

    2 1

    2 1

    1Q

    d dTT

    ddT

    QT

    7.6

    dar Q r 2 1= , cldura latent de formare a unitii de pelicul

    Deci, ddT T

    r

    =

    7.7

    Adic, variaia tensiunii superficiale la creterea temperaturii, scade. 7.1.2. Metoda ciclurilor aplicat la mainile termice

    2

  • a) Ciclurile motoarelor cu combustie intern, cu piston Motoarele cu combustie intern (de tipul cu piston) sunt foarte mult folosite

    la: automobile. Asa cum i spune si numele, motorul cu combustie intern este o main termic n care fluidul motor primete cldur de la un combustibil care arde chiar n interiorul motorului. n aceste motoare fluidul este format, n prima etap, din aer sau amestec de aer i un combustibil uor inflamabil, iar n a doua etap, de produsele de combustie ale combustibilului lichid sau gazos (benzin, kerosen, motorin, etc.). n motoarele cu gaz fluidul este supus unui regim de presiune nu prea ridicat, iar temperaturile sunt uor superioare temperaturii critice, ceea ce i permite sa fie asimilat, cu o bun aproximaie, unui gaz perfect; aceasta simplific mult analiza termodinamic a ciclului motor. Motoarele cu combustie interna au dou avantaje importante prin comparaie cu alte motoare termice: i) sunt mai compacte, deoarece sursa cald fiind n interiorul motorului nu este nevoie de o suprafa mare pentru realizarea schimbului de cldura cu fluidul motor; ii) temperatura fluidului motor nu este limitat superior, deoarece fluidul motor primete cldur nu numai prin peretii motorului ci i datorit degajrii cldurii care se produce n fluid. n plus, pereii cilindrilor i chiulasei sunt echipai cu sisteme de rcire forat. Lrgirea intervalului de temperaturi permite mbuntirea randamentului termic. Corpul principal al oricrui motor cu piston este cilindrul n care se deplaseaz un piston legat prin intermediul unui sistem biel-manivel de receptorul de lucru mecanic. Cilindrul are orificii nchise cu supape, dintre care unul servete la aspiraia fluidului motor (a aerului sau a amestecului combustibil), iar cellalt pentru evacuarea fluidului motor dup ce s-a realizat ciclul. Se disting trei tipuri principale de cicluri motoare cu combustie intern cu piston: ciclul Otto (combustie la volum constant, V=const), ciclul Diesel (combustie la presiune constant, p=const) i ciclul Trinckler (combustie la volum constant, V=const iar apoi la p=const). Ciclul Otto (dupa numele lui N. Otto, inginer german care a realizat acest ciclu n 1876). Schema unui motor care funcioneaz dup un ciclu Otto i diagrama dinamica a acestui motor sunt date n Fig. 7.2. Pistonul P este antrenat ntr-o micare rectilinie alternativ n cilindrul C care are o supap de aspiratie S.a i o supap de evacuare S.e. n cursul transformrii 1-1, pistonul se deplaseaz producnd o scdere a presiunii n cilindru, supapa de admisie S.a se deschide, iar amestecul combustibil care este preparat separat n carburator, este aspirat n cilindru. n ciclul Otto amestecul combustibil este aerul amestecat cu o

    3

  • anumit cantitate de vapori de benzin (sau alt combustibil). Cnd pistonul ajunge la extremitatea din dreapta, supapa de aspiraie ntrerupe admisia amestecului combustibil n cilindru, iar pistonul ncepe s comprime amestecul. Prin comprimare presiune crete (transformarea 1-2). n momentul n care presiunea amestecului combustibil atinge o valoare bine determinat, care corespunde strii 2 de pe ciclu, bujia electric Bj asigur aprinderea gazului comprimat. Arderea amestecului gazos se produce aproape instantaneu, pistonul nereuind sa se deplaseze n timpul arderii aa nct se poate considera fenomenul de ardere ca un proces izocor (2-3). Cldura degajat prin ardere nclzete fluidul motor care se afl n cilindru i mrete presiunea pn la o valoare care corespunde punctului 3 de pe diagram. Sub efectul acestei presiuni pistonul se deplaseaz spre dreapta, producnd un lucru mecanic de destindere care este transmis receptorului de lucru mecanic. n momentul n care pistonul atinge punctul mort din dreapta, un dispozitiv special deschide supapa de evacuare S.e, iar presiunea din cilindru scade la o valoare ceva mai mare dect presiunea atmosferic (transformarea 4-5); n acest timp o parte din gazul ars iese din cilindru. Apoi pistonul se deplaseaz din nou spre stnga, evacund n atmosfer restul de gaz ars. (Din diagrama ciclului se observ c presiunea din cilindru este, n timpul aspiraiei ceva mai mic i n cursul evacurii ceva mai mare dect presiunea atmosferic, datorit rezistenei aerodinamice a celor dou supape i tubulaturii de admisie i de evacuare.) Apoi ncepe un nou ciclu: aspiraia amestecului combustibil, comprimarea, etc. Se vede c ntr-un motor care funcioneaz dup un ciclu Otto, pistonul efectueaz patru curse pentru un ciclu; se spune ca motorul este n patru timpi: aspiraia, compresia, destinderea dupa arderea amestecului gazos, evacuarea gazelor arse n atmosfer. Analiza termodinamic a ciclului Otto este uor de fcut n ipotezele: ciclul este nchis deoarece, dei la sfrsitul ciclului motor fluidul este evacuat astfel ca la fiecare ciclu este alta porie de combustibil, combustibilul fiind n cantitate mic prin comparaie cu aerul putem considera cantitatea de fluid motor constant. Caldur furnizat fluidului motor de sursa cald se face n cursul transformrii 2-3 iar fluidul motor cedeaz cldur sursei reci n timpul transformrii izocore 4