Termodinamikai körfolyamat

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A termodinamikai ciklus vagy termodinamikai körfolyamat egy sor termodinamikai állapotváltozás, melyek során a rendszer visszatér kezdeti állapotába. Az állapotjelzők csak a rendszer termodinamikai állapotától függenek, és így a ciklus végén kezdeti értéküket veszik ismét fel. A és a munka az állapotváltozások függvénye, értékük a ciklus alatt nullától különbözik. A termodinamika első főtétele kimondja, hogy a hőbevitel és az ennek rovására nyert mechanikai munka egymással egyenlő. (Illetve fordított működéskor a kinyert hő és az erre fordított mechanikai munka értéke egyenlő.) A ciklus periodikus természete lehetővé teszi a folyamatos működést, ezért a körfolyamat a termodinamika egyik fontos fogalma a hőerőgépek és hűtőgépek elméletének fontos eszköze. A körfolyamatok leírásánál gyakran használják a kvázistatikus folyamatok fogalmát, hogy modellezni lehessen a gyakorlatban előforduló gépeket.

A körfolyamat zárt görbét alkot a nyomás-térfogat (p-V) diagramban. A p-V diagramban az x tengelyre a V térfogatot, az y tengelyre a p nyomást visszük fel. A görbe által bezárt terület a körfolyamatból kinyerhető L mechanikai munkával egyenlő:

 \text{(1)} \qquad L = \oint P \ dV .

Ez a munka egyenlő a rendszerbe bevezetett Qbe és elvont QkiQ különbségével:

 \text{(2)} \qquad L = Q = Q_{be} - Q_{ki} .

Ha a körfolyamat a zárt görbét az óramutató járása irányába járja körül, akkor hőerőgép működésének felel meg és az L munka pozitív. Ha az óramutató járásával ellenkező irányban haladnak az állapotváltozások, akkor hőszivattyú körfolyamatát kapjuk, és az L munka negatív.

Egy példa-körfolyamat p-V diagramja.

A körfolyamatok fajtái energiaátalakítás szerint[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A körfolyamatok két fő csoportra oszthatók: erőgép ciklusokra és a hőszivattyú ciklusokra. Az erőgép ciklusok hőenergiát alakítanak át mechanikai munkává, a hőszivattyú ciklusok pedig kishőmérsékletű hőt emelnek fel magasabb hőmérsékletűre mechanikai munka beveztése árán. A ciklus milyensége attól függ, hogy melyik iráyban folyik a körfolyamat. A nyomás-térfogat diagramban vagy a hőmérséklet-entrópia diagramban ábrázolt állapotváltozásoknál az óramutató járásával azonos irányban folyó ciklusok erőgép ciklusok, az óramutató járásával ellenkező irányú körfolyamatok hőszivattyú ciklusok.

Hőerőgép ciklus vázlata.

Hőerőgép ciklusok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A hőerőgép ciklusok a hőerőgépek működésének alapját képezik, ezek szolgáltatják a világon termelt villamosenergia nagy részét és igen sok közlekedési eszköz hajtását. A hőerőgép ciklusokat a modellezett hőerőgépek szerint lehet felosztani. A legisemertebbek a belsőégésű motorok ciklusai: az Otto-körfolyamat, mely a benzinmotort és a Diesel-ciklus, mely a dízelmotort modellezi. A külső hőközlésű ciklusok a Brayton-ciklus, mely a gázturbinát modellezi és a Rankine-ciklus, mely a gőzgépet és gőzturbinát modellezi.

Az óramutató járása szerinti körfolyamat hőerőgépé. (A nyilak mutatják a körüljárási irányt.) A ciklus négy állapotból (a csillaggal jelölt pontok) és négy állapotváltozásból (vonalak) áll.

Például az ábrán látható négy állapotváltozásból álló körfolyamat által szolgáltatott mechanikai munka:

 \text{(3)} \qquad  L = L_{1\to 2} + L_{2\to 3} + L_{3\to 4} + L_{4\to 1}
 L_{1\to 2} = \int_{V_1}^{V_2} P \, dV, \, \, \, pozitív, munkát szolgáltat
 L_{2\to 3} = \int_{V_2}^{V_3} P \, dV, \, \, \, zéró munka, ha V_2 = V_3 \,
 L_{3\to 4} = \int_{V_3}^{V_4} P \, dV, \, \, \, negatív, külső munkát igényel
 L_{4\to 1} = \int_{V_4}^{V_1} P \, dV, \, \, \, zéró munka, ha V_4 = V_1 \,

Ha a térfogat nem változik a 4→1 és 2→3 állapotváltozás során, akkor a (3) egyenlet így egyszerűsödik:

 \text{(4)} \qquad  L = L_{1\to 2} + L_{3\to 4}

Hőszivattyú és hűtőgép ciklus[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A hőszivattyú és hűtőgép ciklus a hőszivattyúk és hűtőgépek fizikai modellje. A kettő között a különbség az, hogy a hőszivattyú esetében egy helyiség melegen tartása, a hűtőgépnél pedig egy hely hidegen tartása a cél. A leggyakrabban használt elv a gőzkompressziós hűtőgép ciklus, melynél olyan hűtőközeget használnak, mely a körfolyamat közben fázisváltást (halmazállapotváltozást) szenved. Az abszorpciós hűtőgép ciklusban a hűtőközeget elgőzölögtetés helyett folyadékban abszorbeálják. Ismert hűtőgép ciklusok: a fordított Brayton-ciklus és a Linde-Hampson körfolyamat. Ide tartozik a gázok csepfolyósítása is.

A körfolyamatok fajtái állapotváltozások szerint[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A termodinamikai körfolyamatok (ideális esetben) 3 vagy több (általában 4) állapotváltozásból állnak. Az állapotváltozások a következők lehetnek:

  • izoterm állapotváltozás (állandó hőmérsékleten, folyamatos hőfelvétel vagy leadás mellett)
  • izobár állapotváltozás (állandó nyomáson)
  • izochor állapotváltozás (állandó térfogaton)
  • adiabatikus állapotváltozás (a munkaközeg nem vesz fel és nem is ad le a környezetéből hőt)
    • izentropikus állapotváltozás, reverzibilis adiabatikus állapotváltozás (a munkaközeg nem vesz fel és nem is ad le a környezetéből hőt - és az entrópia állandó)
  • izentalpikus állapotváltozás (az entalpia állandó)

Néhány példa a körfolyamatokra:

Körfolyamat Kompresszió Hőbevezetés Expanzió Hőelvonás
A hőerőgép ciklusok általában külső égéssel vagy hőszivattyú ciklusok
Ericsson (első, 1833.)
Brayton
adiabatikus izobár adiabatikus izobár
Bell Coleman
(Fordított Brayton)
adiabatikus izobár adiabatikus izobár
Carnot izentropikus izoterm izentropikus izoterm
Stoddard adiabatikus izochor adiabatikus izochor
Stirling izoterm izochor izoterm izochor
Ericsson (második, 1853.) izoterm izobár izoterm izobár
Belső égésű hőerőgép körfolyamatok
Otto (benzin) adiabatikus izochor adiabatikus izochor
Diesel adiabatikus izobár adiabatikus izochor
Brayton (sugárhajtás) adiabatikus izobár adiabatikus izobár
Lenoir (pulzáló sugárhajtás)
(a 4 állapotváltozásból 3 külöböző)
izobár izochor adiabatikus izobár


Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Commons
A Wikimédia Commons tartalmaz Termodinamikai körfolyamat témájú médiaállományokat.

Oktató szoftver: