Podstawy termodynamiki i przemiany gazowe

Gazy wywierają ciśnienie, ponieważ ich cząsteczki nieustannie uderzają o ścianki naczynia. Do opisu ilości substancji używamy jednostki mol - to tyle gramów substancji, ile jednostek masy atomowej ma jej cząsteczka. W jednym molu znajduje się stała Avogadra cząsteczek: 6,02214·10²³ 1/mol.

W termodynamice zajmujemy się przemianami gazów, podczas których zmieniają się parametry takie jak temperatura, ciśnienie i objętość. Wyróżniamy trzy podstawowe rodzaje przemian:

• Przemiana izotermiczna: temperatura jest stała $T=const$, a ciśnienie i objętość są odwrotnie proporcjonalne $pV=const$
• Przemiana izobaryczna: ciśnienie jest stałe $p=const$, a objętość i temperatura są wprost proporcjonalne $V/T=const$
• Przemiana izochoryczna: objętość jest stała $V=const$, a ciśnienie i temperatura są wprost proporcjonalne $p/T=const$

Pamiętaj, że w przemianach gazowych temperatura musi być wyrażona w skali Kelvina, czyli skali bezwzględnej. Dla opisu zachowania gazu doskonałego używamy równania Clapeyrona: pV=nRT, gdzie R to stała gazowa $8,314 J/(mol·K)$.

Wskazówka: Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że zmiana energii wewnętrznej układu (ΔEw) jest sumą dostarczonego ciepła (Q) i wykonanej pracy (W). Zapisujemy to jako: ΔEw = Q + W. To podstawowa zasada zachowania energii!

Ciepło, praca i sprawność silników

Kiedy gaz nie wymienia ciepła z otoczeniem, zachodzi przemiana adiabatyczna. Do obliczenia ilości ciepła potrzebujemy ciepła molowego - zależy ono od rodzaju gazu. Dla gazu jednoatomowego Cv = 3/2R (przy stałej objętości) i Cp = 5/2R (przy stałym ciśnieniu), a dla gazu dwuatomowego odpowiednio Cv = 5/2R i Cp = 7/2R.

Podczas rozprężania gaz wykonuje pracę $W = p·ΔV$. Wartość tej pracy w dowolnej przemianie jest równa polu pod wykresem p(V). Gdy gaz się rozpręża, wykonuje pracę dodatnią $+W$, a gdy jest sprężany - pracę ujemną $-W$.

Silnik cieplny to urządzenie, które zamienia część dostarczonego ciepła na pracę. Pracuje cyklicznie, pobierając ciepło z grzejnika (o temperaturze Tg) i oddając część do chłodnicy (o temperaturze Tch). Sprawność silnika określa, jaka część dostarczonego ciepła zamienia się w pracę: η = W/Qg.

Z kolei pompa ciepła przenosi ciepło z ciała o niższej temperaturze do ciała o wyższej temperaturze, wykonując przy tym pracę. Jej efektywność określa współczynnik COP (coefficient of performance).

Ciekawostka: Pompa ciepła i klimatyzator to w zasadzie to samo urządzenie, tylko używane w różnych celach. COP dla ogrzewania zawsze będzie o 1 większy niż COP dla chłodzenia - to wynika z zasad termodynamiki!

Silniki cieplne i II zasada termodynamiki

Maksymalna teoretyczna sprawność silnika cieplnego wynosi: ηmax = 1 - Tc/Tg. Oznacza to, że sprawność rośnie, gdy zwiększamy temperaturę grzejnika lub obniżamy temperaturę chłodnicy.

W praktyce spotykamy różne typy silników. Silnik benzynowy (czterosuwowy) najpierw pobiera mieszankę paliwa i powietrza, następnie spręża ją i podpala, a wybuch odsuwa tłok. Silnik Diesla (wysokoprężny) różni się tym, że spręża tylko powietrze, a paliwo zostaje wpuszczone dopiero po sprężeniu, co prowadzi do samozapłonu.

Do opisu idealnego cyklu pracy silnika spalinowego służy cykl Otta. Zakłada on, że mieszanka paliwa z powietrzem i spaliny są gazami doskonałymi, ignoruje różnicę moli przed i po spaleniu, a wydech i ssanie powodują chłodzenie gazu.

Druga zasada termodynamiki mówi, że:

1. Ciepło przepływa samorzutnie tylko z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej, nigdy odwrotnie.
2. Nie może istnieć urządzenie o sprawności 100% (tzw. perpetuum mobile).

Ważne: Druga zasada termodynamiki ma charakter statystyczny. Teoretycznie mogą zdarzyć się zjawiska wbrew tej zasadzie, ale są one tak mało prawdopodobne, że w praktyce je pomijamy. Dlatego też nie uda Ci się zbudować silnika o 100% sprawności!