Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

20
PRINCIPIUL AL II-LEA AL TERMODINAMICII SI MOTOARE TERMICE ELEVI:CIBOTARIU RALUCA GRECU SILVIA MARTIN ANA MIHAI BIANCA CLASA a X a E COLEGIUL NAŢIONAL “MIRCEA CEL BĂTRÂN”,CONSTANŢA AN ŞCOLAR 2012-2013

description

Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

Transcript of Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

Page 1: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

PRINCIPIUL AL II-LEA AL TERMODINAMICII SI MOTOARE TERMICE

ELEVI:CIBOTARIU RALUCAGRECU SILVIAMARTIN ANAMIHAI BIANCA

CLASA a X a ECOLEGIUL NAŢIONAL “MIRCEA CEL BĂTRÂN”,CONSTANŢA

AN ŞCOLAR 2012-2013

Page 2: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

CUPRINS

INTRODUCERE FORMULĂRI ALE PRINCIPIULUI AL II-

LEA AL TERMODINAMICII ENTROPIA MOTOARE TERMICE BIBLIOGRAFIE

Page 3: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

INTRODUCERE

Într-un proces ciclic,conform principiului I al termodinamicii,lucrul mecanic se poate transforma integral în căldură,iar căldura se poate transforma integral în lucru mecanic:Q=L.

Căldura nu poate trece de la sine de la un corp mai rece la unul mai cald .

Principiul I al termodiamicii nu poate explica unele fenomene termice:

-căldura primită de un sistem termodinamic nu se poate transforma integral în lucru mecanic la un proces ciclic:ŋ=L/Q<1.

-căldura se transferă spontan de la corpul mai cald la corpul mai rece;

-într-un pahar de apă nu se separă cantitatea de apă mai caldă de cantitatea de apă mai rece.

Page 4: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

Principiul al doilea al termodinamicii se referă la sensul de desfăşurare a transformărilor din termodinamică. Aceste transformări pot fi clasificate în funcţie de stările parcurse la revenirea sistemului dintr-o stare finală în starea iniţială.

Transformările pot fi reversibile,când sistemul poate reveni la starea inţială trecând prin aceleaşi stări intermediare de echilibru, sau ireversibile, când revenirea la starea iniţială nu se poate face trecând prin aceleaşi stări, ci sistemul revine prin alte stări (pe un alt drum). Procesele naturale sunt ireversibile.

Page 5: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

FORMULAREA CARNOT

Randamentul ciclului Carnot nu depinde de natura şi cantitatea substanţei de lucru,considerată gaz ideal,ci doar de temperaturile extreme între care are loc procesul(temperatura sursei calde T1 şi temperatura sursei reci T2):

ŋ=1-T2/T1. Randamentul oricărui alt ciclu este mai mic decât

randamentul ciclului Carnot reversibil care funcţionează între aceleaşi temperaturi extreme:

ŋ< ŋC.

Page 6: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

FORMULAREA THOMPSON(KELVIN-PLANCK)

Într-o transformare ciclică monotermă,sistemul termodinamic nu poate ceda lucru mecanic în exterior.

Dacă transformarea ciclică monotermă este şi ireversibilă,atunci sistemul termodinamic primeşte lucru mecanic din exterior.

Doar într-o transformare neciclică ,căldura se poate transforma integral în lucru mecanic.

Nu este posibil un proces al cărui unic rezultat este absorbţia de căldură de la un rezervor şi transformarea sa completă în lucru mecanic.

Page 7: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

SURSA CALDĂ →Q1→MOTORUL TERMIC→L

→Q2→SURSA RECE Într-o transformare ciclică bitermă ,căldura

primită de sistemul termodinamic nu poate fi transformată integral în lucru mecanic.

Q=LQ1+Q2=L>0

Page 8: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

FORMULAREA LUI CLAUSIUS

Nu este posibil un proces având drept unic rezultat un transfer de căldura de la un corp mai rece spre unul mai cald . Cu alte cuvinte, fără cheltuială de lucru mecanic, este imposibil să se treacă căldură de la un corp mai rece la un corp mai cald.

Unele procese se desfăşoară spontan, de la sine, altele nu.

ΣQi/Ti ≤0 relaţia lui Clausius, în care egalitatea se produce pentru procesele ciclice reversibile.

Page 9: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

ENTROPIA

Principiul al doilea al termodinamicii poate fi exprimat cu ajutorul unei alte funcţii de stare, entropia (S). Entropia, care este o măsură a dezordinii moleculare a unui sistem, permite să se aprecieze dacă o stare poate fi atinsă din alta în mod spontan.

Entropia este o funcție termodinamică de stare, cu proprietatea remarcabilă că într-un sistem izolat nici un proces nu poate duce la scăderea ei. Stabilirea existenței acestei funcții și a proprietăților ei este o realizare impresionantă a fizicii de la sfârșitul secolului al XIX-lea .

In termeni de entropie, principiul al II-lea al termodinamicii se enunţă astfel:Intr-un sistem izolat entropia creşte în procesele spontane:S > 0Procesele ireversibile sunt procese spontane si deci sunt însotite de o crestere a entropiei totale.

Page 10: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

•Entropia este un parametru de stare care într-un proces reversibil este egală cu suma căldurilor reduse:ΔS=ΣQi/Ti ,unde Qi sunt căldurile schimbate de sistem cu n surse de căldură la temperaturile Ti.•Unitatea de măsură este J/K.•Entropia este o mărime de stare.Pentru o stare termodinamică poate fi determinată în funcţie de o altă stare de referinţă căreia i se atribuie o valoare de referinţă.

Page 11: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

MOTOARE TERMICE

Un motor termic este o mașină termică motoare, care transformă căldura în lucru mecanic.

Un motor termic lucrează pe baza unui ciclu termodinamic realizat cu ajutorul unui fluid.

Întrucât, conform principiului al doilea al termodinamicii, entropia unui sistem nu poate decât să crească, doar o parte a căldurii preluate de la sursa de căldură (numită și sursa caldă) este transformată în lucru mecanic. Restul de căldură este transferat unui sistem cu temperatură mai mică, numit sursă rece.

Page 12: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

CLASIFICARE

motor cu ardere externă, la care sursa de căldură este externă fluidului ce suferă ciclul termodinamic:

– motor cu abur– turbină cu abur– motor Stirling

motor cu ardere internă, la care sursa de căldură este un proces de combustie suferit chiar de fluidul supus ciclului termodinamic:

– motor cu ardere internă cu piston– motor Wankel– turbină cu gaze– motor rachetă– statoreactor– pulsoreactor

Page 13: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

MOTORUL CU ABUR

Motorul cu abur este un motor termic cu ardere externă, care transformă energia termică a aburului în lucru mecanic. Aburul sub presiune este produs într-un generator de abur prin fierbere și se destinde într-un agregat cu cilindri, în care expansiunea aburului produce lucru mecanic prin deplasarea liniară a unui piston, mișcare care de cele mai multe ori este transformată în mișcare de rotație cu ajutorul unui mecanism bielă-manivelă. Căldura necesară producerii aburului se obține din arderea unui combustibil sau prin fisiune nucleară.

Motoarele cu abur au dominat industria și mijloacele de transport din timpul Revoluției industriale până în prima parte a secolului al XX-lea, fiind utilizate la acționarea locomotivelor, vapoarelor, pompelor, generatoarelor electrice, mașinilor din fabrici, utilajelor pentru construcții (excavatoare) și a altor utilaje. A fost înlocuit în majoritatea acestor aplicații de motorul cu ardere internă și de cel electric.

Page 14: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

TURBINA CU ABUR

Turbina cu abur este o mașină termică rotativă motoare, care transformă entalpia aburului în energie mecanică disponibilă la cupla turbinei. Transformarea se face cu ajutorul unor palete montate pe un rotor cu care se rotesc solidar.

În prezent, turbinele cu abur înlocuiesc complet motoarele cu abur datorită randamentului termic superior și unui raport putere/greutate mai bun. De asemenea, mișcarea de rotație a turbinelor se obține fără un mecanism cu părți în translație, de genul mecanismului bielă-manivelă, fiind optimă pentru acționarea generatoarelor electrice — cca. 86 % din puterea electrică produsă în lume este generată cu ajutorul turbinelor cu abur.

Page 15: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

CLASIFICAREA TURBINELOR

Dupa principiul termodinamic de functionare: - Turbine cu actiune - Turbine cu reactiune - Turbine combinate Dupa numarul de trepte: - Turbine monoetajate - Turbine cvasietajate - Turbine multietajate Dupa directia de curgere a aburului: - Turbine axiale- Turbine radiale Dupa presiunea finala: - Turbine cu condensatie - Turbine cu emisie - Turbine cu contrapresiune

Page 16: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

MOTORUL STIRLING

În familia mașinilor termice, motorul Stirling definește o mașină termică cu aer cald cu ciclu închis regenerativ, cu toate că incorect, termenul deseori este utilizat pentru a se face referire la o gamă mai largă de mașini. În acest context, "ciclu închis" înseamnă că fluidul de lucru este într-un spațiu închis numit sistem termodinamic, pe când la mașinile cu "ciclu deschis" cum este motorul cu ardere internă și anumite motoare cu abur, se produce un permanent schimb de fluid de lucru cu sistemul termodinamic înconjurător ca parte a ciclului termodinamic; "regenerativ" se referă la utilizarea unui schimbător de căldură intern care mărește semnificativ randamentul potențial al motorului Stirling. Există mai multe variante constructive ale motorului Stirling din care majoritatea aparțin categoriei mașinilor cu piston alternativ. În mod obișnuit motorul Stirling este încadrat în categoria motoarelor cu ardere externă cu toate că sursa de energie termică poate fi nu numai arderea unui combustibil ci și energia solară sau energia nucleară. Un motor Stirling funcționează prin utilizarea unei surse de căldură externe și a unui radiator de căldură, fiecare din acestea fiind menținut în limite de temperatură prestabilite și o diferență de temperatură suficient de mare între ele.

Page 17: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

MOTOR CU ARDERE INTERNA CU PISTON

Motorul cu ardere internă este motorul care transformă energia chimică a combustibilului prin intermediul energiei termice de ardere, în interiorul motorului, în energie mecanică. Căldura degajată în camera de ardere se transformă prin intermediul presiunii (energiei potențiale) aplicate pistonului în mișcare mecanică ciclică, de obicei rectilinie, după care în mișcare de rotație uniformă, obținută de obicei la arborele cotit. Camera de ardere este un reactor chimic unde are loc reacția chimică de ardere.

Căldura introdusă în ciclul care se efectuează în cilindrii motorului se obține prin arderea combustibilului, de obicei un combustibil lichid ca: benzina, motorina sau gazul petrolier lichefiat, dar se pot folosi și combustibili gazoși, ca gazul natural, sau chiar solizi, ca praful de cărbune. Oxigenul necesar arderii se obține din aerul atmosferic. Combustibilul în amestec cu aerul se numește amestec carburant. Arderea poate fi inițiată prin punerea în contact direct a amestecului carburant cu o sursă de căldură sau se poate produce aproape instantaneu în toată masa amestecului caz în care se numește detonație și are un caracter exploziv.

Page 18: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

MOTORUL WENKEL

Motorul Wankel este un tip de motor cu ardere internă inventat de inginerul german Felix Wankel, la care mișcarea de rotație se obține nu printr-un mecanism bielă-manivelă, ci cu ajutorul unui piston rotativ de formă triunghiulară.

În comparație cu motorul cu ardere internă cu piston, avantajele motorului Wankel sunt compactitatea și vibrațiile mai reduse. Dezavantajele acestui motor sunt randamentul mai mic, ceea ce duce la un consum de combustibil mai mare pentru aceeași putere furnizată, emisia sporită de poluați, ceea ce duce la necesitatea instalațiilor de denoxare mai complexe și uzinarea și întreținerea pretențioase, deci mai scumpe.

Page 19: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

TURBINA CU GAZE

Din punct de vedere termodinamic o turbină cu gaze funcționează destul de asemănător cu motorul unui automobil. Aerul din atmosferă este admis într-un compresor cu palete, unde este comprimat, urmează introducerea unui combustibil, aprinderea și arderea lui într-o cameră de ardere. Gazele de ardere se destind într-o turbină, care extrage din ele lucrul mecanic, iar apoi sunt evacuate în atmosferă. Procesul este continuu, iar piesele execută doar mișcări de rotație, ceea ce pentru o putere dată conduce la o masă totală a instalației mai mică. Ca urmare, turbinele cu gaze s-au dezvoltat în special ca motoare de aviație, însă își găsesc aplicații în multe alte domenii, unul dintre cele mai moderne fiind termocentralele cu cicluri combinate abur-gaz.

O turbină cu gaze este o turbină termică, care utilizează căderea de entalpie a unui gaz sau a unui amestec de gaze pentru a produce prin intermediul unor palete care se rotesc în jurul unui ax a unei cantități de energie mecanică disponibilă la cupla turbinei. Turbina cu gaze mai este cunoscută și sub denumirea de instalație de turbină cu gaze (ITG).

Page 20: Principiul Al II-lea Al Termodinamicii Si Motoare Termice

BIBLIOGRAFIE

Talpalaru,S.ş.a.-”Fizică”-manual pentru clasa aXa,Bucureşti,Editura Polirom,2005;

www.principiul al II-lea al termodinamicii.ro