Termodünaamiline tsükkel — definitsioon, seadused ja näited

Termodünaamiline tsükkel: selge definitsioon, põhiseadused ja praktilised näited — kuidas toimivad soojusmootorid, soojuspumbad ning mida tähendab netosoojus ja töö.

Termodünaamiline tsükkel on rida termodünaamilisi protsesse, mis viivad süsteemi tagasi algseisundisse. Omadused sõltuvad ainult termodünaamilisest seisundist ja seega ei muutu tsükli jooksul. Sellised muutujad nagu soojus ja töö ei ole tsükli jooksul null, vaid sõltuvad pigem protsessist. Termodünaamika esimene seadus ütleb, et netosoojuse sisend on võrdne netotööga, mis on iga tsükli jooksul välja antud. Protsessi teekonna korduv iseloom võimaldab pidevat tööd, mistõttu tsükkel on termodünaamika oluline mõiste.

Põhimõisted

Staatiline suurus (näiteks rõhk, temperatuur, sisemine energia) sõltub ainult süsteemi seisundist, mitte sellest, kuidas sinna jõuti. Radadele sõltuvad suurused, nagu soojus ja töö, sõltuvad protsessi teest. Tsüklis on stabiilselt oluline see, et pärast kogu protsessi lõppu taastub algne seisund, mistõttu seisundfunktsioonide muutus üle ühe täiskäsitluse on null.

Peamised seadused tsükli kohta

• Esimene seadus: tsükli jooksul muutus sisemises energiast ΔU = 0, seega netosoojuse Q_net = netotöö W_net. See tähendab, et kui süsteem tsükli vältel töötab, tuleb see töö soojuse kujul süsteemi väljast.
• Teine seadus: ei ole võimalik luua tsüklit, mis teisendaks kogu soojuse täielikult tööks ilma soojuserinevusi; määrab tsükli maksimumtõhususe ja suuna, milles spontaanne protsess toimub. Selle põhjal on defineeritud ka Carnot' tõhusus maksimaalseks teoreetiliseks piiriks.

Tõhusus ja soojuspumbad

Kui tsükkel töötab soojusmootorina, võtab see soojust kuumast allikast Q_in, teeb tööd W_out ja annab osa soojusest üle külmemale allikale Q_out. Mootori töötõhusus on

η = W_out / Q_in (sagedamini esitatakse ka kui 1 − Q_out/Q_in). Teoreetiliselt maksimaalne tõhusus kahe temperatuuri vahel antakse Carnot' tulba järgi: η_Carnot = 1 − T_külm/T_kuum, kus temperatuurid on absoluutsetes ühikutes (K).

Kui tsüklit juhitakse vastupidises suunas, toimib see soojuspumba või külmseadmena — süsteemile antakse tööd, et transportida soojust madalamalt temperatuurilt kõrgemale. Selle efektiivsust mõõdetakse sageli kui COP (coefficient of performance), mis sõltub eesmärgist (soojuse või jahutuse tõstmine).

Tsükli kujutamine ja töö märk

Tsükleid joonistatakse sageli PV-diagrammil (rõhk–maht). Tsükli alla jääv pindala vastab süsteemi poolt tehtud tööle: kui protsess liigub PV-diagrammil päripäeva (kellaosuti suunas), on tegemist soojusmootoriga ja W on positiivne; kui liiklus on vastupidine, on see soojuspump ja W on negatiivne, s.t süsteemile tehakse tööd.

Levinud tsüklid ja näited

• Carnot' tsükkel — ideaalne teoreetiline tsükkel kahe isotermilise ja kahe adiabaatilise protsessiga; annab maksimumtõhususe kahe antud temperatuuri korral.
• Ottova tsükkel — sisepõlemismootorites (jaotatud lõõgastega mootorid) kasutatav ideaalne mudel; iseloomustab bensiinimootoreid.
• Diisli tsükkel — ideaaliseeritud diiselmootori tsükkel, kus rõhu tõus toimub isobariliselt.
• Rankine'i tsükkel — auruturbiinide ja elektrigeneraatorite aluseks; töötav auruvedeliku ringlus.
• Survekompressiooni (vapour-compression) külmutus-tsükkel — tavaline kodu- ja tööstuslik külmutus- ning kliimaseadmete tsükkel.

Mõned praktilised tähelepanekud

• Reaalsed tsüklid ei saavuta kunagi Carnot' tõhusust tänu mitteleidlikele kadudele (soojusvahetus, hõõrdetegurid, mittetäielikad protsessid jm).
• Optimeerimisel vaadeldakse sageli tööd, tõhusust, emissioone ja majanduslikku küljest kulu-efektiivsust.
• Termodünaamiline tsükkel on aluseks paljudele tehnoloogiatele: elektrigeneraatorid, sõidukimootorid, külmutussüsteemid ja tööstuslikud protsessid.

Kokkuvõttes on termodünaamiline tsükkel keskne mõiste nii teoreetilises termodünaamikas kui ka praktilistes seadmetes, sest see võimaldab kirjeldada ja hinnata, kuidas energia ühest vormist teise muundub ja kui tõhus see muundumine on.

Klassid

Kaks peamist termodünaamiliste tsüklite klassi on elektrienergia tsüklid ja soojuspumba tsüklid. Jõutsüklid on tsüklid, mis muudavad mingi soojuse sisendi mehaanilise töö väljundiks, samas kui soojuspumba tsüklid edastavad soojust madalalt temperatuurilt kõrgele temperatuurile, kasutades mehaanilist tööd.

Termodünaamilised energiatsüklid

Termodünaamilised energiatsüklid on aluseks soojusmootorite toimimisele, mis annavad suurema osa maailma elektrienergiast ja käitavad peaaegu kõiki mootorsõidukeid. Jõutsükleid võib jagada vastavalt sellele, millist tüüpi soojusmootorit püütakse modelleerida. Kõige levinumad sisepõlemismootoreid modelleerivad tsüklid on Otto tsükkel, mis modelleerib bensiinimootoreid, ja diiseltsükkel, mis modelleerib diiselmootoreid. Välispõlemismootoreid modelleerivate tsüklite hulka kuuluvad Braytoni tsükkel, mis modelleerib gaasiturbiini, ja Rankine'i tsükkel, mis modelleerib auruturbiini.

Soojusmootori skeem.

Küsimused ja vastused

K: Mis on termodünaamiline tsükkel?

K: Kas omadused muutuvad termodünaamilise tsükli jooksul?

K: Kas soojus ja töö on termodünaamilise tsükli jooksul null?

K: Mida määrab termodünaamika esimene seadus tsükli jooksul?

K: Miks on tsükkel oluline mõiste termodünaamikas?

K: Mida kujutab endast päripäeva toimuv termodünaamiline tsükkel?

K: Mida kujutab endast vastupäeva toimuv termodünaamiline tsükkel?

Otsing