Mistahes soojusmasin koosneb alati kolmest osast: soojusallikast, töötavast kehast ja jahutist. Soojusmasinas ei saa kunagi muuta kogu soojusallikast saadud soojushulka Q1 kasulikuks tööks, alati tuleb sellest osa (soojushulk Q2 ) jahutile kasutult ära anda (termodünaamika II seadus). Ideaalse soojusmasina kasutegur T1 - T2 = , T1 kus T1 on soojendi temperatuur ja T2 jahuti temperatuur. Ideaalse soojusmasina korral on soojusallikalt (kõrgema temperatuuriga kehalt) saadav soojushulk Q1 ja jahutile (madalama temperatuuriga keha) äraantav soojushulk Q2 seotud soojendi ja jahuti temperatuuridega järgmiselt Q1 Q2 = . T1 T2 Ideaalse soojusmasina kasutegur annab antud temperatuuride vahemikus töötava soojusmasina maksimaalse kasuteguri. Näidisülesanne 8. Soojusmasin teeb tsükli jooksul töö 300 J, saades soojendilt soojushulga 1200 J. Kui suur on masina kasutegur? Lahendus.
Soojus ei saa iseenesest üle minna külmalt kehalt kuumemale, st ei ole võimalik niisugune protsess, mille ainsaks tulemuseks on soojuse ülekandumine külmemalt kehalt kuumemale. Thomsoni (lord Kelvini) sõnastus: Ei ole võimalik ehitada perioodiliselt töötavat masinat, mis muudaks pidevalt soojust tööks ainult ühe keha jahtumise arvel, nii et ümbritsevates kehades ei esineks mingeid muutusi (st kogu soojust ei ole Soojusmasina skeem. Soojusallikalt saadav energiahulk Q1 jaguneb võimalik täielikult konverteerida tööks). masinas kasulikuks tööks A ning jahutatakse antavaks jääksoojuseks Q2 Termodünaamika teine seadus väljendab termodünaamiliste protsesside statistilist iseloomu ja on aluseks nii entroopia kui ka temperatuuri mõiste defineerimisel termodünaamikas. Meid ümbritsevas maailmas on kahesuguseid protsesse: ühed neist toimuvad iseenesest ja teiste läbiviimiseks tuleb teha tööd. Nt
kogu soojust ei ole võimalik täielikult konverteerida tööks). Termodünaamika teine seadus väljendab termodünaamiliste protsesside statistilist iseloomu ja on aluseks nii entroopia kui ka temperatuurimõiste defineerimisel termodünaamikas. Esitan mõned termodünaamika teise seaduse tuntumad põhimõtted: 1) Teist liiki perpetum mobile on võimatu. (Joonis 1) 2) Soojusmootor saab toota mehaanilist energiat ainult soojusallikalt saadava ja jahutajale äraantava soojuste vahe arvel. (Joonis 2) Q L=Q MOOTOR Joonis 1 Q1 L= Q1 - Q2 MOOTOR Q2 Joonis 2
tehtud töö TD II seaduse kohaselt ükski perioodiliselt töötav soojusmasin ei saa muuta kogu saadud energiat tööks andmata midagi ümbritsevale keskkonnale. ....................... Igiliikur? Recycling? Perpetuum mobile - igiliikur on kujutletav masin, mis mingit protsessi korrates on võimeline tegema piiramatult tööd, saamata energiat väljaspoolt või masin, mis teeb piiramatult tööd, muutes kogu soojusallikalt saadava soojuse tööks. Paraku on see võimatu, sest mõlemad väited on vastuolus termodünaamika seadustega! 1 kcal / h = 1,163 W 1paskal = 1 Pa = 1 N m² ********************************************* 1 atm = 760 mmHg = 101325 Pa 1 bar = 100 x 10³ Pa 1 mmHg = 133, 322 Pa Töö sooritamiseks vajatakse energiat. Niisiis võimsus kujutab endast ka energia kulutust ajaühikus. Inimene, kelle mass on 70 kg kulutab päevas umbes 10 MJ energiat.
silindri ühest ruumiosast teise. Regeneraatori abil antakse termodünaamilisele kehale soojust või eemaldatakse seda protsessisiseselt. Kui kõrge temperatuuriga gaas läbib regeneraatori, siis gaas jahtub, kuid regeneraator kuumeneb. Regeneraatorisse akumuleeruvat energiat kasutatakse järgmises tsüklis soojuse tagastamiseks (regenereerimiseks) madalama temperatuuriga gaasile. Soojuse suunamine soojusallikalt protsessi ja ka üleandmine jahutisse on isotermsed protsessid. Stirlingmootori tööpõhimõte ja protsessi tsüklid selguvad all toodud joonisltelt. Stirlingmootori põhiosad on kaks liikuvat kolbi silindris ja nende vahel paiknev suure soojusmahtuvusega poorne (gaasi läbilaskev) regeeraator, mis töötab kui perioodiliselt laetav ja tühjenev energiasalvesti. Gaasimassi osatähtsust regeneraatoris toimuvas energiamuundusprotsessis võib eirata. [3]
väljastpoolt saadava soojuse arvelt. Soojusmasinas olev aine (vesi, õhk jne) saab soojust kõrgema temperatuuriga reservuaarist, teeb kasulikku tööd ning annab tagasi algolekusse minnes soojust välja. Soojusmasinad töötavad tsüklitena, mille lõppedes on soojusmasin esialgses olekus, et alustada uut tsüklit. Lihtsaimat soojusmasina tsüklit illustreerib joonis. Soojusmasina skeem: Soojusallikalt saadav energiahulk Q1 jaguneb masinas kasulikuks tööks A ning jahutajale antavaks jääksoojuseks Q2. Soojushulk Q1 võetakse kuumast reservuaarist temperatuuriga T1 selleks, et teha tema arvel mehhaanilist tööd A . Lisaks tekib jääksoojus Q2, mis antakse üle külmale reservuaarile temperatuuril T2
nimetatakse ringprotsessi termiliseks kasuteguriks. 51. Carnot ringprotsess ja selle kujutamine T-s ja p-v diagrammil (põhiprotsesside äramärkimisega) Termodünaamiline keha paisub olekust 1 olekusse 2 isotermiliselt Isotermiline paisumistöö avaldub pv-diagrammil pindalana A12BA Mainitud töö tehakse protsessi juhitud soojuse arvel (saadakse soojusallikalt), mis Ts-diagrammil avaldub pindalana q1=A12BA. Isotermilisele paisumisele järgneb isoentroopiline paisumine 2-3. Selles protsessis tehtud töö valdub pv-diagrammil pindalana B23CB 52. Carnot ringprotsessi termiline kasutegur q2 t ql1 1 q1 1 T 2 T1 53. Clausiuse integraali mõiste ja sisu.
Tagastatavas ringprotsessis tehtud kasuliku töö ja ringprotsessi antud soojushulga suhet nimetatakse ringprotsessi termiliseks kasuteguriks 52. Carnot ringprotsess ja selle kujutamine T-s ja p-v diagrammil (põhiprotsesside äramärkimisega) Termodünaamiline keha paisub olekust 1 olekusse 2 isotermiliselt Isotermiline paisumistöö avaldub pv-diagrammil pindalana A12BA Mainitud töö tehakse protsessi juhitud soojuse arvel (saadakse soojusallikalt), mis Ts-diagrammil avaldub pindalana q1=A12BA. Isotermilisele paisumisele järgneb isoentroopiline paisumine 2-3. Selles protsessis tehtud töö valdub pv-diagrammil pindalana B23CB 53. Carnot ringprotsessi termiline kasutegur q2 t = ql1 = 1 - q1 = 1 - TT 12 54. Clausiuse integraali mõiste ja sisu. Clausiuse integraal tagastamatute ringprotsesside korral negatiivne, tagastatavate korral aga võrdub nulliga
3 b 4 Q2 q2 jahutus- A B s vesi 12 on isotermiline paisumine, kus juhitakse juurde soojushulk väliselt soojusallikalt. 23 Edasine paisuminetoimub soojushulga Q1 arvel. KO 34 isotermiline komplimeerimine. Juhitakse ära soojushulk Q 2. K D 41 isoentroopne komplimeerimine ja termodün.keha jõuab KK tagasi algpunkti. (A)
Adiabaatne protsess on selline td prot. mis protsessiks nim. termod.süs. toimuvaid järjestikulisi avaldub diagrammil pindalana q2=B34AB. Jooniselt toimub soojuslikult isoleeritud tingimustes. (dq=0, olekumuutusi. Td protsessi käiku väljendatakse tavaliselt järeldub et soojusallikalt ringprotsessi antud soojushulk q=0). k=Cp/Cv. mingite olekuparameetrite seosena, mis antakse kas 5). Polütroopne protsessiks nim. sellist protsessi, q1=sT1, ning ringpr jahutajale üleantud soojushulk analüütiliselt või graafiliselt. mille käigus erisoojus ei muutu. s.t. sellist protsessi, mis q2=sT2. Carnot' rp. termiline kasutegur on c=1- 8.Mehaaniline töö
neist saab ideaalsetel tingimustel vaadelda pöörduva protsessina. Termodünaamika teine printsiip on termodünaamika põhiseadus, mille kohaselt teist liiki igiliikur on võimatu. Igiliikur (ladina keeles perpetuum mobile) on kujutletev masin, mis kord käima panduna töötab lõpmata kaua, saamata väljaspoolt energiat (esimest liiki igiliikur), või kujutletav perioodiliselt töötav masin, mis muudab tööks kogu soojusallikalt saadava soojuse (teist liiki igiliikur). Termodünaamika II printsiibil on mitu võrdväärset sõnastust, näiteks : protsess, mille ainsaks tulemuseks on soojuse muundumine tööks, ei ole võimalik; protsess, mille ainsaks tulemuseks on energia üleminek külmemalt kehalt soojemale soojusvahetuse teel, ei ole võimalik. Entroopia S on suurus ,mis iseloomustab süsteemi ja väliskeskkonna vahelise
Kujutan Carnot’ ringprotsessi Ts-diagrammil. Td keha paisub olekust 1 olekusse 2 isotermiliselt, mis Ts-diag väljendub pindalana q1=A12BA. Isotermilisele paisumisele järgneb adiabaatne paisumine2—3. Termodünaamiline keha tuuakse olekust 3 olekusse 1 kahejärgulise komprimeerimisega, kus 3—4 toimub isotermselt ja 4—1 isoentroopselt. Isotermilisel komprimeerimisel jahutajale üleantav soojushulk avaldub diagrammil pindalana q2=B34AB. Jooniselt järeldub et soojusallikalt ringprotsessi antud soojushulk q1=sT1, ning ringpr jahutajale üleantud soojushulk q2=sT2. Carnot’ rp. termiline kasutegur on c=1-q2/q1=1-T27T1, kus T1 ja T2 on soojusallika ja jahutaja absoluutsed temp 9. Sisepõlemismootorite ringprotsessid. Sisepõlemismootorite põhiliseks protsessiks, kus toimub soojuse protsessi juhtimine(kütuse põemine) on silinder, seal kütus põleb ning see muutub paisumiseks. Toimub kõrgel temperatuuril üle 1000 oC. Max temp
ära soojushulk q2. 4 -1 isoentroopne komprimeerimine. Termiline kasutegur t 1 1 2 , q1 T1 T1 – soojusallika temp, T2 – jahutaja temp. Suvalise tagastatava ringprotsessi termiline kasutegur on alati väiksem sama ringprotsessi maksimaalse ja minimaalse temperatuuri vahemikus toimuva Carnot’ ringprotsessi termilisest kasutegurist. Soojusallikalt ringprotsessi antud soojushulk q1=sT1, ningr ingpr jahutajale üleantud soojushulk q2=sT2. 16. Carnot’ pöördringprotsess. Tagastatav Carnot’ pöördringprotsess on kujutatud Ts-diagrammil. Termodünaamiline keha paisub olekust 1 isoentroopselt olekuni 4, mille jooksul temperatuur langeb T1-st T2-ni. Sellele järgneb isotermne paisumine 4 3, mille käigus antakse kehale üle soojushulk q0, mis on võrdne pindalaga - A43BA
1 5 4 1 s h4 h3 h1 h2 h Kompressoris tarbitav töö protsessis 1-2: lk = 1-2-3-5-1 = h2 h1 kJ/kg Detandri tehtav töö protsessis 3-4: ld = 3-4-5-3 = h3 h4 kJ/kg Ringprotsessi töö: l = lk ld = 1-2-3-4-1 = (h2 h1) (h3 h4) kJ/kg Kondensaatoris eralduv (tarbijale antav) soojushulk: qk = 1-2-3-4-1 = h2 h3 kJ/kg Madalatemp. soojusallikalt saadav soojushulk: q0 = 1-1-4-4-1 = h1 h4 kJ/kg Soojuspumba teoreetiline soojustegur qk h2 h3 h2 h3 0 Tk l h2 h1 h3 h4 h2 h3 h1 h4 0 c 12/11/10 Tk T0 MSJ 0120 Soojuspumbad 42
külmutusmasina - loomise võima-luste tulutu uurimisega, printsiibi põhjalikuma sõnastuse: Pole võimalik sooritada perioodilist protsessi, kus ühelt süsteemilt antud temperatuuril võetakse (kindel) soojus- hulk ning antakse samas koguses madalama temperatuu-riga süsteemile. Ja veel üks termodünaamika teise printsiibi sõnastus (nn. Kelvin-Planck'i formuleering): Pole võimalik selline perioodiline protsess, mille ainsaks tulemuseks on soojusallikalt saadud soojushulga täielik muundamine tööks konstantsel temperatuuril. Viimasest sõnastusest järeldub teist liiki igiliikuri (see oleks taoline soojusmootor, mis muundaks kogu temale antava soojushulga otseselt mehaaniliseks tööks) loomise võima- tus. Selline soojusmasin töötaks jahutita, millest tuleneb si-suliselt soojendi ja jahuti temperatuuride võrdsus, mis tähen-dab, et = 0. Pole nagu mõtet niisugust masinat luua! Entroopia
T1 ja jahutaja temp. T2, on loomulik võtta vaatluse alla võimalikult lihtsate om.-ga töökeha. Niisuguseks kehaks sobib hästi ideaalne gaas. Kui soojusallika ja jahutaja soojusmahutavused on küllalt suured, siis on ainsaks pööratavaks protsessiks Carnoti tsükkel. Kui õnnestub leida selle tsükkli kasutegur tem.-de T 1 ja T2 funk.- na, on letud kasuteguri avaldise kõkide pööratavate masinate jaoks. Def.-ni kohaselt on soojusjõumasina kasutegur =Q1-Q2´ /Q1, kus Q1 on soojusallikalt saadud ning Q 2´ jahutajale antud soojushulk. Kui arvestame tingimust V 2/V1=V3/V4, saame =T1-T2/T1. Seega sõltub Carnoti tsükli kasutegur ideaalse gaasi puhul tõepoolest ainult soojusallika ja jahutaja temp.-st. Avaldis =T1-T2/T1 määrab ära iga pööratava masina kasuteguri. §77. Termodünaamika teine printsiip. Seda printsiipi, samuti kui esimest, saab formuleerida mitmel viisil. Kõige
tsükliks. Kokkusurumisel tehtav töö on väiksem, see saavutatakse sellega, et kokkusurumise joon V-p teljestikus on madalamal paisumise joonest, st. iga suvalise ruumala korral on kokkusurumisel gaasi rõhk väiksem kui paisumisel. See on võimalik, kui kokkusurumisel temperatuur hoida madalam . Siit tuleneb vajadus soojusjõumasina kolmanda paratamatu osa järele see on jahuti, madalatemperatuuriline keha, millega gaas enne kokkusurumist tuleb kontakti viia. Siit aga nähtub. et kogu soojusallikalt saadud soojust pole mitte võimalik tööks muuta. Tsükli kestel tööks muudetud soojushulga suhet soojuse allikalt saadud soojushulgasse Q1 nimetatakse soojusjõumasina kasuteguriks: A Q1 - Q2 = = . (5.29) Q Q1 Siin Q2 on tsükli kestel jahutile ära antud soojushulk. Vastavalt eeltoodud kokkuleppele on äraantav soojushulk negatiivne, seepärast on siin absoluutväärtuse märgid. Reaalsete
Carnot 1824.a. suurepärase rindprotsessi idee, mille teostamiseks on piisav kahe erineva temperatuuriga keha olemasolu süsteemis. Carnot´ringprotsessi koostisosadeks on kaks isotermset ja kaks adiabaatset protsessi (joonis 15). Joonis 15. Carnot´ ringprotsess. Termodünaamiline keha (gaas) paisub isotermselt suurimal rõhul p1 ja temperatuuril T1 (protsessi lõik 1-2, T1=konst) sooritades töö [ l1,2 = RT1 ln (v1/v2) ja saab soojusallikalt soojushulga q1. Protsessi osa 2-3 on adiabaatne (q=0), gaas sooritab töö siseenergia arvel (82), mistõttu temperatuur alaneb T1-lt T2-ni. Protsessi osa 3-4 on jälle isotermne, gaas komprimeeritakse T2=konst tingimustes ning sooritatud töö on negatiivne (l 3,4 = -RT2 ln v3/v4), kuna komprimeerimisel gaas kuumeneb, siis tingimuse T2=konst täitmiseks peame eemaldama soojushulga q2 jahutajale. Protsessi osa 4-1 on gaasi
annaabi.ee 
