Termodinamični cikel: definicija, načelo delovanja in vrste

Termodinamični cikel je niz termodinamičnih procesov, ki sistem vrnejo v začetno stanje. Lastnosti so odvisne le od termodinamičnega stanja in se v ciklu ne spreminjajo. Spremenljivke, kot sta toplota in delo, v ciklu niso enake nič, temveč so odvisne od procesa. Prvi zakon termodinamike določa, da je neto dovedena toplota enaka neto opravljenemu delu v vsakem ciklu. Ponavljajoča se narava procesne poti omogoča neprekinjeno delovanje, zato je cikel pomemben pojem v termodinamiki.

Če se ciklični proces giblje v smeri urinega kazalca okoli zanke, je to toplotni motor in W bo pozitiven. Če se giblje v nasprotni smeri urinega kazalca, predstavlja toplotno črpalko in W bo negativen.

Načelo delovanja

Osnovna ideja termodinamičnega cikla je, da sistem skozi zaporedje procesov sprejme toploto iz enega vira, del dela preda okolici (ali porabi delo) in odvede preostalo toploto v drugi vir, pri čemer se ob koncu cikla povrne v začetno stanje. Na PV (tlak-volumen) diagramu je neto opravljeno delo enako površini, ki jo obdaja zanka cikla.

Zakoni in pomembne enačbe

• Prvi zakon (ohranjanje energije): ker je sprememba notranje energije ΔU v popolnem ciklu nič, velja Q_net = W_net. To lahko zapišemo tudi kot ∮δQ = ∮δW.
• Drugi zakon: določa smer pretočnega toka toplote in omejuje maksimalno uporabno delo, ki ga lahko pridobimo iz dane temperaturne razlike. Za reverzibilni (idealni) cikel med dvojnim toplotnim rezervoarjem je največja učinkovitost dana z izrazi za Carnotov cikel: η_C = 1 − T_c/T_h (temperaturi v kelvinih).
• Učinkovitost toplotnega motorja: η = W_out / Q_in = 1 − Q_out / Q_in. Višja kot je temperatura vira Q_in in nižja kot je temperatura odvodnega rezervoarja Q_out, večja je teoretična učinkovitost.
• Za črpalke in hladilnike: pomembni so koeficienti delovanja (COP): za hladilnik COP_R = Q_izhlajeno / W_in, za toplotno črpalko COP_HP = Q_oddano / W_in.

Vrste termodinamičnih ciklov

Obstajajo idealizirani in realni cikli, ki jih uporabljamo za različno tehnologijo. Najpogostejše skupine:

• Carnotov cikel (reverzibilni ideal): sestavljen iz dveh izotermičnih in dveh adiabatskih procesov; predstavlja zgornjo mejo učinkovitosti za motor med dvema temperaturnima rezervoarjema.
• Otto cikel: idealiziran cikel za bencinske (iskalne) motorje s stalnim volumnom pri vžigu; njegova učinkovitost je funkcija razmerja kompresije.
• Diesel cikel: model za dizelske motorje, pri katerem poteka vžig pri približno konstantnem tlaku; primeren za višje razmerje kompresije kot Otto.
• Brayton (Joule) cikel: ciklus za plinske turbine (npr. v letalskih motorjih); sestavljen je iz adiabatskega stiskanja, izotermičnega vstopa goriva/zgorevanja (približno konstantnega tlaka) in adiabatskega ekspanzije.
• Rankine cikel: klasični cikel parnih turbin (elektrarne); vključuje utekočinjenje pare in vmesno delo črpalke ter kotla.
• Cikli hladilnih naprav in črpalk toplote: (npr. obratni Rankine/paretni krogi, kompresijski hladilni cikli) — delujejo v obratni smeri kot motorji in za premik toplote porabijo delo.

Reverzibilnost, realne izgube in optimizacija

Idealni cikli (reverzibilni) dajejo zgornje meje učinkovitosti. V realnih napravah nastopijo izgube zaradi trenja, toplotnih izgub, nepopolnega zgorevanja, tlak- in temperaturnih padcev, nepopolne izmenjave toplote in notranjih neravnovesij. Ti dejavniki zmanjšajo dejansko učinkovitost v primerjavi z idealnimi modeli. Zato se v praksi uporabljajo tehnike, kot so regeneracija, rekuperacija, izboljšanje izolacije in optimizacija delovnih pogojev, da se izgube zmanjšajo.

Praktične uporabe

• Toplotni motorji: avtomobilski motorji (Otto, Diesel), plinske turbine (Brayton), parne turbine (Rankine).
• Hladilni sistemi in klimatske naprave: kompresijski in absorpcijski cikli.
• Toplotne črpalke: za ogrevanje prostorov z višjo energetsko učinkovitostjo kot neposredna električna ogrevanja.
• Industrialni procesi: kemična in elektrotermalna industrija uporablja cikle za prenos, shranjevanje in pretvorbo energije.

Povzetek: termodinamični cikel je temeljni koncept za razumevanje naprav, ki pretvorijo toploto v delo ali obratno. Ključno je razlikovati med stanji (ki določajo stanje sistema) in potmi/procesi (ki določajo količino toplote in dela). Učinkovitost cikla je omejena z zakoni termodinamike, zlasti z drugim zakonom, in v praksi dodatno zmanjšana zaradi različnih irreverzibilnosti.

Razredi

Dva osnovna razreda termodinamičnih ciklov sta energetski cikel in cikel toplotne črpalke. Energijski cikli so cikli, ki pretvorijo določeno dovedeno toploto v mehansko delo, medtem ko cikli toplotnih črpalk prenašajo toploto z nizkih na visoke temperature z uporabo mehanskega dela.

Termodinamični energetski cikli

Termodinamični cikli so osnova za delovanje toplotnih motorjev, ki zagotavljajo večino svetovne električne energije in poganjajo skoraj vsa motorna vozila. Energijske cikle lahko razdelimo glede na vrsto toplotnega motorja, ki ga želijo modelirati. Najpogostejša cikla, ki modelirata motorje z notranjim izgorevanjem, sta Ottov cikel, ki modelira bencinske motorje, in dizelski cikel, ki modelira dizelske motorje. Med cikle, ki modelirajo motorje z zunanjim zgorevanjem, spadata Braytonov cikel, ki modelira plinske turbine, in Rankinov cikel, ki modelira parne turbine.

Shema toplotnega motorja.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je termodinamični cikel?

V: Ali se lastnosti spreminjajo med termodinamičnim ciklom?

V: Ali sta toplota in delo v termodinamičnem ciklu enaka nič?

V: Kaj narekuje prvi zakon termodinamike v ciklu?

V: Zakaj je cikel pomemben pojem v termodinamiki?

V: Kaj predstavlja termodinamični cikel v smeri urinega kazalca?

V: Kaj predstavlja termodinamični cikel v nasprotni smeri urnega kazalca?

Išči po črki