Thermodynamik är en gren av fysiken som handlar om energi och arbete i ett system.Termodynamik handlar om ett systems reaktion i stor skala som vi kan observera och mäta i experiment.Som aerodynamiker är vi mest intresserade av termodynamiken hos framdrivningssystem och flöden i höga hastigheter.För att förstå hur ett framdrivningssystem fungerar måste vi studera den grundläggande termodynamiken hos gaser.
Gaser har olika egenskaper som vi kan observera med våra sinnen, bland annat gastrycket p, temperaturen T, massan och volymen V som innehåller gasen.Noggranna vetenskapliga observationer har visat att dessa variabler är relaterade till varandra och att värdena för dessa egenskaper bestämmer gasens tillstånd.En termodynamisk process, till exempel uppvärmning eller komprimering av gasen, ändrar värdena för tillståndsvariablerna på ett sätt som beskrivs av termodynamikens lagar. Det arbete som utförs av en gas och den värme som överförs till en gas beror på gasens begynnelse- och sluttillstånd och på den process som används för att ändra tillståndet.
Det är möjligt att utföra en serie processer, där tillståndet ändras under varje process, men där gasen slutligen återgår till sitt ursprungliga tillstånd. En sådan serie processer kallas en cykel och utgör grunden för att förstå motorer. Carnotcykeln är en av de grundläggande termodynamiska cyklerna och beskrivs på denna webbsida. Vi kommer att använda ett V-diagram för att beskriva de olika processerna i Carnotcykeln. Cykeln börjar med en gas, gul i figuren, som är innesluten i en cylinder, blå i figuren. Volymen i cylindern ändras genom en rörlig röd kolv, och trycket ändras genom att placera vikter på kolven. Vi har två värmekällor; den röda har en nominell temperatur på 300 grader och den lila har en temperatur på 200 grader. Gasen befinner sig inledningsvis i tillstånd 1 med hög temperatur, högt tryck och låg volym.
- Den första process som utförs på gasen är en isotermisk expansion. Den 300 graders värmekällan förs i kontakt med cylindern och vikt avlägsnas, vilket sänker trycket i gasen. Temperaturen förblir konstant, men volymen ökar. Under processen från tillstånd 1 till tillstånd 2 överförs värme från källan till gasen för att upprätthålla temperaturen. Vi kommer att notera värmeöverföringen från Q1 till gasen.
- Den andra processen som utförs på gasen är en adiabatisk expansion. Under en adiabatisk process överförs ingen värme till gasen. Vikt avlägsnas, vilket sänker trycket i gasen. Temperaturen sjunker och volymen ökar när gasen expanderar för att fylla volymen. Under processen från tillstånd 2 till tillstånd 3 överförs ingen värme.
- Den tredje processen som utförs på gasen är en isotermisk kompression. Den 200 graders värmekällan förs i kontakt med cylindern och vikt tillförs, vilket höjer trycket i gasen. Temperaturen förblir konstant, men volymen minskar. Under processen från tillstånd 3 till tillstånd 4 överförs värme från gasen till värmekällan för att upprätthålla temperaturen. Vi kommer att notera värmeöverföringen genom Q2 bort från gasen.
- Den fjärde processen som utförs på gasen är en adiabatisk kompression. Vikt läggs till, vilket höjer trycket i gasen. Temperaturen ökar och volymen minskar när gasen komprimeras. Under processen från tillstånd 4 till tillstånd 1 överförs ingen värme.
I slutet av den fjärde processen har gasens tillstånd återgått till sitt ursprungliga tillstånd och cykeln kan upprepas hur ofta som helst. Under cykeln har arbete W producerats av gasen, och mängden arbete är lika med den yta som omges av processkurvorna.Enligt termodynamikens första lag är mängden producerat arbete lika med den nettovärme som överförts under processen:
W = Q1 – Q2
Carnotcykeln har fungerat som en motor, genom att omvandla den värme som överförts till gasen under processerna till nyttigt arbete. En liknandeBraytoncykelförklarar hur en turbinmotor fungerar, och enOttocykelförklarar hur en förbränningsmotor fungerar.
Aktiviteter:
Guidade turer
Navigation..
Hemsida för nybörjare