Druga zasada termodynamiki.

W silniku cieplnym substancja robocza jest poddawana cyklowi przemian termodynamicznych, w wyniku czego wraca do stanu początkowego i może ponownie zamienić część swojej energii wewnętrznej na mechaniczną otoczenia (może wykonać pracę).

Na wykresie zależności ciśnienia od objętości (powyżej) dla substancji roboczej (gaz doskonały) w silniku cieplnym, pracującym w obiegu zamkniętym (cyklu), mamy ([3] str.31, [10] str.252, [11] str.74, [13] str.383, [15] str.561):

  • na rysunku a) pole pod krzywą AB obrazuje pracę Wwyk wykonaną przez silnik (czyli energię mechaniczną otoczenia powstałą z energii wewnętrznej substancji roboczej). Substancja robocza pobrała wtedy ciepło Qpobr,

  • na rysunku b) pole pod krzywą BA obrazuje pracę Wpobr pobraną przez silnik (czyli energię mechaniczną otoczenia zamienioną na wewnętrzną substancji). Substancja robocza oddała wtedy do otoczeniu ciepło Qodd,

  • na rysunku c) pole między krzywymi AB i BA liczbowo jest równe pracy użytecznej Wużyt, (energii mechanicznej, którą możemy wykorzystać np. do napędu pojazdu).

  • Po dokonaniu cyklu przemian, substancja robocza ponownie znajduje się w stanie początkowym (punkt A na wykresach). Jej energia wewnętrzna jest taka sama jak na początku. Zmiana energii wewnętrznej podczas cyklu jest więc równa zero (U = 0). Biorąc pod uwagę stanowiska autorów:

    [3] str.29: [3] - D. Elwell, A.J. Pointon, Termodynamika klasyczna, WNT, W-wa 1976 "...a gdy temperatura i pozostałe parametry... powrócą do wartości wyjściowych, wówczas i jego energia wewnętrzna też powinna                     powrócić... do wartości wyjściowej..."
    [11] str.73: [11] - S. Mac Termodynamika,WSiP, W-wa, 1984 "...w czasie obiegu... w ogólnym bilansie energii końcowa wartość energii wewnętrznej czynnika jest równa wartości początkowej."
    [13] str.383: [13] - I.W. Sawieliew, Kurs fizyki tom 1, PWN, W-wa 1987 "Zmiana energii wewnętrznej w ciągu cyklu powinna być równa zeru."

    Dlatego pierwsza zasada termodynamiki dla cyklu jest:

    U = 0 = (Qpobr – Qodd) + (Wwyk – Wpobr),

    czyli:

    Wużyt = Wwyk – Wpobr = – (Qpobr – Qodd).

    Z powyższego wynika, że praca użyteczna Wużyt, (ta energia mechaniczna, którą możemy wykorzystać) powstała z różnicy ciepła pobranego Qpobr i oddanego Qodd przez czynnik roboczy.


    Autorzy piszą:

    [8] str.160: [4] - B. M. Jaworski, A.A. Piński, Elementy fizyki, t.1, PWN, W-wa 1977 „Silnik czterosuwowy powinien mieć specjalne koło zamachowe, które kosztem swojej energii kinetycznej może wykonać trzy pasywne                     (pierwszy, drugi i czwarty) suwy cyklu roboczego silnika.”
    [11] str.73: [11] - S. Mac Termodynamika,WSiP, W-wa, 1984 „W czasie obiegu...praca jest wykonywana i pobierana...”
    [11] str.73: [11] - S. Mac Termodynamika,WSiP, W-wa, 1984 „W czasie obiegu ciepło jest doprowadzane i odprowadzane...”
    [13] str.383: [13] - I.W. Sawieliew, Kurs fizyki tom 1, PWN, W-wa 1987 „Aby silnik mógł pracować okresowo, część ciepła... powinna być zwracana otoczeniu”
    [15] str.564: [15] - M. Herman, A. Kaletyński, L. Widomski, Podstawy fizyki..., PWN, W-wa 1991 „Warunkiem pracy silnika termodynamicznego jest oddawanie chłodnicy części energii pobranej ze źródła w postaci ciepła.”

    Substancja robocza musi z powrotem pobrać część energii mechanicznej, która powstała z jej wewnętrznej. W ten sposób czynnik roboczy regeneruje swoją zdolność do ponownego wykonania pracy (do ponownej zamiany energii wewnętrznej na mechaniczną). Np. w silniku spalinowym czterosuwowym, poza suwem pracy, muszą być wykonane jeszcze suwy ssania, sprężania i wydechu. Odbyć się one mogą tylko kosztem części energii kinetycznej tłoka (koła zamachowego). Silnik cieplny część pobranego ciepła musi z powrotem oddać, aby zregenerować zdolności czynnika roboczego do ponownego wykonania pracy. Tylko schłodzenie substancji roboczej (oddanie ciepła) umożliwia jej powrót do stanu początkowego i ponowne wykonanie pracy.

    Z powyższego wynika, że praca użyteczna Wużyt, (ta energia mechaniczna, którą możemy wykorzystać) powstała z różnicy ciepła pobranego Qpobr i oddanego Qodd przez czynnik roboczy. Otrzymujemy drugą zasadę termodynamiki w postaci najogólniejszej:

    wniosek 10:

     Silnik cieplny część pobranego ciepła zwraca do otoczenia a część wykonanej pracy pobiera z powrotem  

    „Energetyczna" postać tej zasady:

        Silnik cieplny część energii mechanicznej otoczenia, która powstała z wewnętrznej czynnika roboczego, z powrotem zamienia na wewnętrzną     czynnika, a część pobranej od otoczenia (od czynnika roboczego) energii wewnętrznej z powrotem zwraca do otoczenia

    Powyższe rozważania dotyczyły idealnego silnika cieplnego.

    Dobrym podsumowaniem rozważań nad procesami termodynamicznymi wydają się być dwie uwagi zawarte poniżej, które każda osobno, ... też są drugą zasadą termodynamiki.

    - W przyrodzie energia wewnętrzna samorzutnie przechodzi od ciała cieplejszego do chłodniejszego. Przekazanie ciepła w drugą stronę nie zachodzi samorzutnie, ale ma miejsce w zbudowanej przez człowieka chłodziarce (pompie cieplnej). Wtedy ciepło z zamrażalnika chłodziarki (niższa temperatura) jest odprowadzane do otoczenia (temperatura wyższa). To jednak kosztuje ponieważ musi działać silnik elektryczny wykonujący pracę mechaniczną, która zamieniana jest na wewnętrzną czynnika roboczego. Płacimy za pobraną energię elektryczną czyli za wykonaną przez silnik elektryczny pracę mechaniczną. To jest koszt odprowadzenia ciepła od ciała chłodniejszego do cieplejszego.

    - W przyrodzie samorzutnie następuje całkowita zamiana energii mechanicznej na wewnętrzną (np. wszystkie ruchy z tarciem). Proces w drugą stronę nie zachodzi samorzutnie. Ma on miejsce w zbudowanym przez człowieka silniku cieplnym - ale to kosztuje. Część energii wewnętrznej (wyzwolonej chemicznej, która zamienina została na cieplną) oddaje on do otoczenia (strata) i to jest ten koszt, który ponosimy.



    Literatura:

    [1] - A. Kitajgorodskij, Fizyka, PWN, Warszawa 1965.
    [2] - A. Piekara, Mechanika ogólna, PWN, Warszawa 1967.
    [3] - D. Elwell, A.J. Pointon, Termodynamika klasyczna, WNT, Warszawa 1976.
    [4] - B. M. Jaworski, A.A. Piński, Elementy fizyki, t.1, PWN, Warszawa 1977.
    [5] - S. Dymus, Termodynamika, WSiP, Warszawa 1979.
    [6] - S. Wiśniewski, Termodynamika techniczna, WNT, Warszawa 1980.
    [7] - J. Szargut, Termodynamika, PWN, Warszawa 1980.
    [8] - W. A. Łobodiuk, K.P. Riaboszapka... Fizyka elementarna, PWN, Warszawa 1981.
    [9] - D. Halliday, R. Resnick, Fizyka 1, PWN, Warszawa 1983.
    [10] - J. Blinowski, J.Trylski, Fizyka dla kandydatów..., PWN, Warszawa, 1983.
    [11] - S. Mac Termodynamika,WSiP, 1984.
    [12] - J.I. Butikow, A.A. Bykow, A.S. Kondratiew, Fizyka cz. 1, PWN, Warszawa 1987.
    [13] - I.W. Sawieliew, Kurs fizyki tom 1, PWN Warszawa 1987.
    [14] - J. Orear, Fizyka 1, WNT, Warszawa 1990.
    [15] - M. Herman, A. Kaletyński, L. Widomski, Podstawy fizyki..., PWN, Warszawa 1991.
    [16]- Ch. Von Rhoeneck, Kompedium fizyki, WSiP, Warszawa 1995.
    [17] - N. Spielberg, B.D. Anderson, FIZYKA siedem teorii..., Amber, Warszawa 1997.
    [18] - Cz. Bobrowski, Fizyka-krótki kurs, WNT, Warszawa 2003.
    [19] - V.Lank, M.Vondra, Fizyka-matura ..., Podsiedlik, Raniowski..., Poznań 2003.