Tema 5.ppt [Modo de compatibilidad]@download/file/Tema_5.pdf · 2015-06-15 · Motor diesel....
-
Upload
vuongkhuong -
Category
Documents
-
view
215 -
download
0
Transcript of Tema 5.ppt [Modo de compatibilidad]@download/file/Tema_5.pdf · 2015-06-15 · Motor diesel....
Tema 5: Màquines tèrmiques
1.- Màquines tèrmiques. Rendiment i eficiència2 Cicle de Carnot2.- Cicle de Carnot
3.1.- Rendiment del cicle de Carnot3.- Segon principi de la termodinàmica
3 1 Enunciat de Kelvin Planck3.1.- Enunciat de Kelvin-Planck3.2.- Enunciat de Clausius3.3.- Equivalència entre els dos enunciats3.4.- Mòbil perpetu de segona espècie
4.- Teorema de Carnot5.- Teorema de Clausius6.- Escala termodinàmica de temperaturesp7.- Motors
7.1.- Motor de Stirling7.2.- Màquina de vapor7.3.- Motors de combustió, Cicle d'Otto7.4.- Motor diesel
Tema 5: Màquines tèrmiques
1.- Màquines tèrmiques. Rendiment i eficiència2 Cicle de Carnot2.- Cicle de Carnot
3.1.- Rendiment del cicle de Carnot3.- Segon principi de la termodinàmica
3 1 Enunciat de Kelvin Planck3.1.- Enunciat de Kelvin-Planck3.2.- Enunciat de Clausius3.3.- Equivalència entre els dos enunciats3.4.- Mòbil perputu de segona espècie
4.- Teorema de Carnot5.- Teorema de Clausius6.- Escala termodinàmica de temperaturesp7.- Motors
7.1.- Motor de Stirling7.2.- Màquina de vapor7.3.- Motors de combustió, Cicle d'Otto7.4.- Motor diesel
Màquina tèrmica: dispositiu que conté una substància anomenada sistema actiu que descriu un cicle termodinàmic.
1.- Màquines tèrmiques
En el cas de que treballi entre dos focus, un calent i un fred, el sistema actiu bescanviarà una quantita de calor Q entre els dos de manera que es produirà un bescanvi de treball W amb l'entorn. Representació esquemàtica
P CT
p q
PQ
C
CQW
CQ
C FW Q Q
VQ FQ
V0U Q W FT0U Q W
C F C FQ Q Q Q Q W
"el que em dona"
1.- Màquines tèrmiques
T WRendiment = el que em dona
"el que li dono"Rendiment de la màquina tèrmica
CT
CQ C
WrQ
CQ
C FW Q Q 1 1 FC F F
C C C
QQ Q QrQ Q Q
Màquina tèrmica perfecta(no existeix)
Màquina tèrmica dolenta(existeix)
FQ
FT 0 1 1FF
C
Q 1 0F
F CC
QQ Q
Q
CT
CQ
CT
CW QFT
Màquina Tèrmica Màquina Frigorífica1.- Màquines tèrmiques i frigorífics
PP
VV
CT CTC
CQW Q Q
C
CQ
FQC FW Q Q
FQ
CQC FW Q Q
FT FT
S'absorbeix calor del focus calentEs cedeix calor al focus fredEs produeix treball
S'absorbeix calor del focus fredEs cedeix calor al focus calentEs consumeix treball
Eficiència= "el que em dona"1.- Frigorífics i bombes de calor
0W 0CQ Eficiència"el que li dono"
Q
0W 0CQ
CT Bomba de Calor cb
QeW
Q
cb
c F
QeQ Q
CQC FW Q Q
0W Q Q !FQ
Q
0C FW Q Q 0W 0FQ
!
T Màquina Frigoríficaf
f
Qe
W
FT q g WF
fC F
QeQ Q
Bomba de calor perfecta Bomba de calor dolenta
1.- Frigorífics i bombes de calorp
(no existeix) (existeix)
QC
F C b
QQ Q e
0 1C
F b
QQ e
Q Q
Cb
C F
QeQ Q
F C bF C
Q Q eQ Q
F bF CQ Q
CT CT
C F
FT
FQ
FT
0W CW Q
Frigorific perfecte(no existeix)
Frigorífic dolent(existeix)
FQF
F C fF C
QQ Q e
Q Q
0 0F
F fF C
QQ e
Q Q
F
fC F
QeQ Q
CT
Q 0W CT
CW QFT
FQ 0W FT
CQ
Màquina Tèrmica Bomba de calor Frigorífic
1.- Resum
Màquina Tèrmica Bomba de calor Frigorífic
CT CT CT
Q
CQ
C FW Q Q
Q
CQC FW Q Q
Q
CQC FW Q Q
FT
FQ
FT
FQ
FT
FQ
1 FW QrQ Q
c c
bF
Q QeW Q Q
f Ff
C F
Q QeW Q Q
C CQ Q c FW Q Q C FQ Q
0 1 1 0 0 1 1 be 0 fe CT
FQ
CT
FQ
CT CTCT
CQ
CT
FTFTFT FTCW QFT
8
Tema 3: Primer principi
1.- Màquines tèrmiques. Rendiment i eficiència2 Cicle de Carnot2.- Cicle de Carnot
3.1.- Rendiment del cicle de Carnot3.- Segon principi de la termodinàmica
3 1 Enunciat de Kelvin Planck3.1.- Enunciat de Kelvin-Planck3.2.- Enunciat de Clausius3.3.- Equivalència entre els dos enunciats3.4.- Mòbil perputu de segona espècie
4.- Teorema de Carnot5.- Teorema de Clausius6.- Escala termodinàmica de temperaturesp7.- Motors
7.1.- Motor de Stirling7.2.- Màquina de vapor7.3.- Motors de combustió, Cicle d'Otto7.4.- Motor diesel
2.- Cicle de Carnot
ÉÉcole Polytechnique. Professors:Gay-Loussac, Poisson, Ampere
Cicle idealitzat de Carnot
Sadi Carnot1796-1832
La producció de treball en els motors de vapor no és deguda a un consum de calòric, sino al seu transport entre un cos calent i un cos fredtransport entre un cos calent i un cos fred
En la caiguda del calòric el treball augmenta amb g gla diferència de temperatures entre els cossos calent i fred, però no sabem si es proporcional a aquesta diferència (nosaltres ho esbrinarem!!!!)
Als 28 anys...
( )
Cicle de Carnot2.- Cicle de Carnot
Cicle de Carnottots els processos son reversibles
CT
CQQ Q
T
FQC FW Q Q
adiabàtica
FT
isoterma
isoterma
adiabàtica
isoterma
Només utilitzem dos focus per bescanviar calor!!
Cicle de Carnot (isotermes ∆U=0)2.- Cicle de Carnot: isotermes
0U Q W Q W
0 0C CW Q
adiabàtica
isoterma
isoterma
adiabàtica
isoterma0 0F FW Q
C F C FW W Q Q
Cicle de Carnot (adiabàtiques Q=0)2.- Cicle de Carnot: adiabàtiques
U Q W U W
adiabàtica
isoterma2 14 1 T TW U
adiabàtica
1 22 3 T TW U
0W W U U 2 1 1 24 1 2 3 0T T T TW W U U
El treball fet en les dues adiabàtiques es zero!!!
Tema 3: Primer principi
1.- Màquines tèrmiques. Rendiment i eficiència2 Cicle de Carnot2.- Cicle de Carnot
3.1.- Rendiment del cicle de Carnot3.- Segon principi de la termodinàmica
3 1 Enunciat de Kelvin Planck3.1.- Enunciat de Kelvin-Planck3.2.- Enunciat de Clausius3.3.- Equivalència entre els dos enunciats3.4.- Mòbil perputu de segona espècie
4.- Teorema de Carnot5.- Teorema de Clausius6.- Escala termodinàmica de temperaturesp7.- Motors
7.1.- Motor de Stirling7.2.- Màquina de vapor7.3.- Motors de combustió, Cicle d'Otto7.4.- Motor diesel
Cicle de Carnot2.1- Rendiment del cicle de Carnot
2
1lnC C C
VW Q nRT V
4 1 4 1 V C FW U nC T T 4 1 4 1 V C F
2 3 2 3 V F CW U nC T T
4
3lnF F F
VW Q nRT V
Cicle de Carnot2.1- Rendiment del cicle de Carnot
1 1 2 2PV PV
1 1 4 4PV PV
PV PV2 2 3 3PV PV
3 3 4 4PV PV
Cicle de Carnot2.1- Rendiment del cicle de Carnot
4
3ln
1F
C F
VnRTQ Q Vr VQ
2
1lnC C
VQ nRT V
Cal relacionar els volums entre si encara!
PV PV PV PV
2 1 1 2 1 2 1 2 41 1
V P PV PV PV VV P PV PV V PV V V
2 2 3 3PV PV 1 1 4 4PV PV
1 11 2 3 3 4 4 3 1 1 4 3V P PV PV V PV V V
1 1 2 2PV PV 3 3 4 4PV PV
12 2 4V V V
11
32 VV
32 VV
11 1 3V V V 1 1
1 4V V 1 4V V
Cicle de Carnot2.1- Rendiment del cicle de Carnot
4 3
3 4ln ln
1 1F F
V VnRT nRTV VV V
2 2
1 1ln lnC C
V VnRT nRTV V
En la caiguda del calòric el treballEn la caiguda del calòric el treball augmenta amb la diferència de temperatures entre els cossos calent i fred, però no sabem si es proporcional a
Q Q T
p p paquesta diferència (nosaltres ho esbrinarem!!!!)
32 VV
1C F FQ Q TQ T
1 4V VC CQ T
2.1.- Cicle de CarnotBomba de calor de Carnot
T1
2
31
ln
ln ln
Cc
bc F
VTQ Ve VVQ Q T T
Bomba de calor de Carnot
CT 31
2 4ln lnc F C F
Q Q T TV V
32
1 4
VVV V
CQW
Cb
C F
TeT T
FQW
VFrigorífic de Carnot
C
FQ3
4
31
2 4
ln
ln ln
FF
fc F C F
VTQ Ve VVQ Q T TV V
FT 2 4
32
1 4
VVV V
TFf
C F
TeT T
Màquina Tèrmica Bomba de calor Frigorífic
2.1.- Cicle de Carnot
Màquina Tèrmica Bomba de calor Frigorífic
CT CT CT
Q
CQ
C FW Q Q
Q
CQC FW Q Q
Q
CQC FW Q Q
FT
FQ
FT
FQ
FT
FQ
C FC F Q QQ Q
ccb
QQe FFf
QQeQ Q Q Q
0 1 1 be 0 fe
C CQ Q b
c F c FQ Q Q Q f
C F C FQ Q Q Q
C F
C
T TT
C
bC F
TeT T
Ff
TeT T
CT C FT T C FT T
C F C FQ Q T T c Cb
Q Te F FQ Te
2.1.- Cicle de CarnotC F C F
C C
Q QQ T
bc F C F
eQ Q T T f
C F C F
eQ Q T T
0C FQ QC FQ Q
(combustible)
0C F
C F
Q QT T
C FT T
Per tant, per fer Qc petithem de fer Tc gran!!!!!!!!
Inspirat pels treballs de Carnot Diesel va construir un motorInspirat pels treballs de Carnot, Diesel va construir un motor que tingués el focus calent a la temperatura més alta possible
Rudolf Diesel1858-1913 P*,15,13,12,11
Tema 3: Primer principi
1.- Màquines tèrmiques. Rendiment i eficiència2 Cicle de Carnot2.- Cicle de Carnot
3.1.- Rendiment del cicle de Carnot3.- Segon principi de la termodinàmica
3 1 Enunciat de Kelvin Planck3.1.- Enunciat de Kelvin-Planck3.2.- Enunciat de Clausius3.3.- Equivalència entre els dos enunciats3.4.- Mòbil perpetu de segona espècie
4.- Teorema de Carnot5.- Teorema de Clausius6.- Escala termodinàmica de temperaturesp7.- Motors
7.1.- Motor de Stirling7.2.- Màquina de vapor7.3.- Motors de combustió, Cicle d'Otto7.4.- Motor diesel
3.- Segon principi de la termodinàmica
Enunciat de Kelvin-PlanckEnunciat de Kelvin-PlanckNo és possible un procés cíclic que tingui com únic resultat l'absorció de calor
procedent d'un focus i la seva conversió total en treball
CT
Q ImpossibleCQ
CW Q
Impossible
No és possible un procés que tingui com únic resultat la transferència de calor
Enunciat de ClausiusNo és possible un procés que tingui com únic resultat la transferència de calor
d'un cos fred a un cos calent
CT
QImpossible
FT
FQ
3.- Equivalència entre els dos enunciats
No Clausius No Kelvin PlanckNo Clausius →No Kelvin-Planck
No Kelvin-Planck → No Clausius
http://www.sc.ehu.es/sbweb/ocw-fisica/estadistica/termodinamica/segundo/segundo.xhtml
3.- Equivalència entre els dos enunciatsEnunciat de Kelvin-PlanckEnunciat de Kelvin Planck
CT
CQ
CW Q
No pot existir un mòbil perpetu de segona espècieNo pot existir un mòbil perpetu de segona espècie
Enunciat de ClausiusCT
FQ
FT
No pot existir el dimoni de Maxwell
Tema 3: Primer principi
1.- Màquines tèrmiques. Rendiment i eficiència2 Cicle de Carnot2.- Cicle de Carnot
3.1.- Rendiment del cicle de Carnot3.- Segon principi de la termodinàmica
3 1 Enunciat de Kelvin Planck3.1.- Enunciat de Kelvin-Planck3.2.- Enunciat de Clausius3.3.- Equivalència entre els dos enunciats3.4.- Mòbil perputu de segona espècie
4.- Teorema de Carnot5.- Teorema de Clausius6.- Escala termodinàmica de temperaturesp7.- Motors
7.1.- Motor de Stirling7.2.- Màquina de vapor7.3.- Motors de combustió, Cicle d'Otto7.4.- Motor diesel
4.- Teorema de Carnot
Totes les màquines tèrmiques que funcionen entre els mateixos focusTotes les màquines tèrmiques que funcionen entre els mateixos focus tenen el mateix rendiment
CT CT CTC C
FT FT FT
No cumpleix Kelvin Planck!!
Suposem dues màquines tèrmiques entre els mateixos focus amb rendiments diferents Kelvin Planck!!
4.- Teorema de Carnot1
AF
A A
1BF
B B
CT CT CT
A ACQ
B BCQ
AFQ B A
F FQ Q
FT FT FT
A B A AB A B AF F F FQ Q Q Q 0B A B AF F F FC C C CA B A B
C C C C
Q Q Q Q Q Q Q QQ Q Q Q
A B
B A B A B ATOT C C F F C CW Q Q Q Q Q Q TOTW
0B ATOT C CW Q Q Obtenim treball amb Q d'un focus!!!
no cumpleix Kelvin-Planck!
Tema 3: Primer principi
1.- Màquines tèrmiques. Rendiment i eficiència2 Cicle de Carnot2.- Cicle de Carnot
3.1.- Rendiment del cicle de Carnot3.- Segon principi de la termodinàmica
3 1 Enunciat de Kelvin Planck3.1.- Enunciat de Kelvin-Planck3.2.- Enunciat de Clausius3.3.- Equivalència entre els dos enunciats3.4.- Mòbil perputu de segona espècie
4.- Teorema de Carnot5.- Teorema de Clausius6.- Escala termodinàmica de temperaturesp7.- Motors
7.1.- Motor de Stirling7.2.- Màquina de vapor7.3.- Motors de combustió, Cicle d'Otto7.4.- Motor diesel
4.- Teorema de Carnot
El rendiment d'una màquina de Carnot que treballa entre dues fontsEl rendiment d una màquina de Carnot que treballa entre dues fonts tèrmiques es màxim i independent de la substància que recorre el cicle
CT
Màquina de Carnot
CT CC
FTFT
Suposem una màquina més eficient que la de Carnot
(és a dir que necessita menys Qc)
4.- Teorema de Carnot
El rendiment d'una màquina de Carnot que treballa entre dues fontsEl rendiment d una màquina de Carnot que treballa entre dues fonts tèrmiques es màxim i independent de la substància que recorre el cicle
CT
Màquina de Carnot
CT CTCC C
FTFT FT
Suposem una màquina No cumpleix
Clausius!!més eficient que la de Carnot Clausius!!
4.- Teorema de Carnotmés eficient que la de Carnot Màquina de Carnot
I Cr CrICTCT CT
I CrW WIW CrW
TT T
I CrIFQ Cr
FQ
FTFT FT
I Cr I CrW W
1 1 0I Cr Cr IC C C CQ Q Q Q I Cr
I CrC CQ Q 0C C C CI Cr
C C
Q Q Q QQ Q
C I C II CrW W Cr Cr I I
C F C FQ Q Q Q 0Cr I Cr IC C F FQ Q Q Q
O O 0TOT TOTC FQ Q Fluxe de calor del focus fred al focus calent
No cumpleix Clausius!!
4.- Teorema de Carnotmés eficient que la de Carnot Màquina de Carnot
I Cr CrICTCT CT
I CrW WIW CrW
TT T
I CrIFQ Cr
FQ
FTFT FT
Si la màquina és reversible podem invertir qualsevol de les dues de manera que
I Cr
I Cr I Cr
Tema 3: Primer principi
1.- Màquines tèrmiques. Rendiment i eficiència2 Cicle de Carnot2.- Cicle de Carnot
3.1.- Rendiment del cicle de Carnot3.- Segon principi de la termodinàmica
3 1 Enunciat de Kelvin Planck3.1.- Enunciat de Kelvin-Planck3.2.- Enunciat de Clausius3.3.- Equivalència entre els dos enunciats3.4.- Mòbil perputu de segona espècie
4.- Teorema de Carnot5.- Teorema de Clausius6.- Escala termodinàmica de temperaturesp7.- Motors
7.1.- Motor de Stirling7.2.- Màquina de vapor7.3.- Motors de combustió, Cicle d'Otto7.4.- Motor diesel
6.- Escala termodinàmica de temperaturesFusió = 273.15K
Escala del gas ideal centígrada(depén de la substància termomètrica) Ebullició = 373.15K
El rendiment és independent de la substància que recorre el cicle
1 1F FQ TQ T
q
C CQ THo mesurem
273.16CT Punt triple
273.16F FFF C C
Q QQT T T F C CC C CQ Q Q
FT Escala KelvinEscala termodinàmica absoluta
6.- Escala termodinàmica de temperaturesEscala Kelvin
273 16F FQ QT T
273.16CT Punt triple Escala termodinàmica absoluta
273.16F CC C
T TQ Q
FT
La propietat termomètrica és Q
El punt de calibració és el punt triple
L'escala NO depén de la substància
És una escala termodinàmica=definida a partir de bescanvis de calor
É l b l t i t i " "És una escala absoluta = existeix un "zero"
El zero absolut es defineix per tant com:
és la temperatura per la qual un procés reversible isotèrmic no bescanvia calor
Tema 3: Primer principi
1.- Màquines tèrmiques. Rendiment i eficiència2 Cicle de Carnot2.- Cicle de Carnot
3.1.- Rendiment del cicle de Carnot3.- Segon principi de la termodinàmica
3 1 Enunciat de Kelvin Planck3.1.- Enunciat de Kelvin-Planck3.2.- Enunciat de Clausius3.3.- Equivalència entre els dos enunciats3.4.- Mòbil perputu de segona espècie
4.- Teorema de Carnot5.- Teorema de Clausius6.- Escala termodinàmica de temperaturesp7.- Motors
7.1.- Motor de Stirling7.2.- Motors de combustió, Cicle d'Otto7.3.- Motor diesel
Motor de combustió internaCicle d'Otto (benzina)( )
E-A: admisió a pressió constant (renovació de la carrega)A-B: compresió adiabàticaB C: combustió donem calor a volum constant La pressió augmenta
1
2 B-C: combustió, donem calor a volum constant. La pressió augmenta rèpidamente abans de començar el temps útil.C-D: força, expansió adiabàtica: treballD-A: Escapament es dona calor a volum constant
2
3D-A: Escapament, es dona calor a volum constantA-E: Escapament, es buida el pisto a pressió constant4