Thermodynamikken er en gren af fysikken, der beskæftiger sig med energi og arbejde i et system.Termodynamikken beskæftiger sig med et systems reaktion i stor skala, som vi kan observere og måle i eksperimenter.Som aerodynamikere er vi mest interesseret i termodynamikken i fremdriftssystemer og højhastighedsstrømme.For at forstå, hvordan et fremdriftssystem fungerer, må vi studere den grundlæggende termodynamik for gasser.
Gasser har forskellige egenskaber, som vi kan observere med vores sanser, herunder gastryk p, temperatur T, masse og volumen V, som indeholder gassen.En omhyggelig videnskabelig observation har vist, at disse variabler er relateret til hinanden, og værdierne af disse egenskaber bestemmer gassens tilstand.En termodynamisk proces, f.eks. opvarmning eller komprimering af gassen, ændrer værdierne af tilstandsvariablerne på en måde, som beskrives af termodynamikkens love. Det arbejde, der udføres af en gas, og den varme, der overføres til en gas, afhænger af gassens begyndelses- og sluttilstand og af den proces, der anvendes til at ændre tilstanden.
Det er muligt at udføre en række processer, hvor tilstanden ændres under hver proces, men hvor gassen til sidst vender tilbage til sin oprindelige tilstand. En sådan serie af processer kaldes en cyklus og danner grundlaget for forståelsen af motorer. Carnot-cyklusen er en af de grundlæggende termodynamiske cyklusser og er beskrevet på denne webside. Vi vil bruge et ap-V-diagram til at tegne de forskellige processer i Carnot-cyklusen. Cyklussen begynder med en gas, som er farvet gul på figuren, og som er indesluttet i en cylinder, som er farvet blå. Cylinderens volumen ændres ved hjælp af et bevægeligt rødt stempel, og trykket ændres ved at placere vægte på stemplet. Vi har to varmekilder; den røde har en nominel varme på 300 grader, og den lilla har en varme på 200 grader. I begyndelsen er gassen i tilstand 1 ved høj temperatur,højt tryk og lavt volumen.
- Den første proces, der udføres på gassen, er en isotermisk ekspansion. Varmekilden på 300 grader bringes i kontakt med cylinderen, og der fjernes vægt, hvilket sænker trykket i gassen. Temperaturen forbliver konstant, men volumenet øges. Under processen fra tilstand 1 til tilstand 2 overføres der varme fra kilden til gassen for at opretholde temperaturen. Vi vil bemærke varmeoverførslen fra Q1 til gassen.
- Den anden proces, der udføres på gassen, er en adiabatisk ekspansion. Under en adiabatisk proces overføres der ingen varme til gassen. Der fjernes vægt, hvilket sænker trykket i gassen. Temperaturen falder, og volumenet øges, idet gassen udvider sig for at fylde volumenet. Under processen fra tilstand 2 til tilstand 3 overføres der ingen varme.
- Den tredje proces, der udføres på gassen, er en isotermisk kompression. Varmekilden på 200 grader bringes i kontakt med cylinderen, og der tilføres vægt, hvorved trykket i gassen øges. Temperaturen forbliver konstant, men volumenet mindskes. Under processen fra tilstand 3 til tilstand 4 overføres der varme fra gassen til varmekilden for at opretholde temperaturen. Vi vil bemærke varmeoverførslen ved Q2 væk fra gassen.
- Den fjerde proces, der udføres på gassen, er en adiabatisk kompression. Der tilføres vægt, hvilket øger trykket i gassen. Temperaturen stiger, og volumenet mindskes, når gassen komprimeres. Under processen fra tilstand 4 til tilstand 1 overføres der ingen varme.
I slutningen af den fjerde proces er gassens tilstand vendt tilbage til sin oprindelige tilstand, og cyklussen kan gentages så ofte, som man ønsker. I løbet af cyklussen har gassen produceret arbejde W, og arbejdsmængden er lig med det areal, der er omsluttet af proceskurverne.Ifølge termodynamikkens første lov er den producerede arbejdsmængde lig med den nettovarme, der overføres under processen:
W = Q1 – Q2
Carnotcyklussen har fungeret som en motor, idet den har omdannet den varme, der overføres til gassen under processerne, til nyttigt arbejde. En lignendeBrayton-cyklusforklarer, hvordan en turbinemotor fungerer, og enOtto-cyklusforklarer, hvordan en forbrændingsmotor fungerer.
Aktiviteter:
Guidede ture
Navigation..
Hjemmeside for nybegyndere