Κατηγορία: 3.06 Θερμοδυναμική

Κυλινδρικό δοχείο με θερμικά μονωμένα τοιχώματα είναι κλεισμένο αεροστεγώς με θερμομονωτικό έμβολο μάζας M = 1,9kg, που μπορεί να κινείται χωρίς τριβές μέσα σ’ αυτό.

Το δοχείο είναι ακλόνητο με τον άξονά του οριζόντιο και περιέχει αέριο όγκου V_ο = 0,8L σε θερμοκρασία Τ_ο και πίεση P_ο = 10⁵N/m², με το έμβολο να βρίσκεται σε ισορροπία.

Βλήμα μάζας m = 0,1kg κινείται οριζόντια στην προέκταση του άξονα του δοχείου και σφηνώνεται στο έμβολο, αναγκάζοντάς το να κινηθεί και να συμπιέσει το αέριο αδιαβατικά.

ΣΥΝΕΧΕΙΑ

Μιά άσκηση του Διονύση Μητρόπουλου που την …προσάρμοσα λίγο στη “νέα” ύλη.

Αποτελείται από δύο γυάλινους βολβούς που συνδέονται με ένα γυάλινο σωλήνα (το λαιμό του πουλιού). Ο σωλήνας εκτείνεται σχεδόν καθ ‘όλη τη διαδρομή προς τον πυθμένα του βολβού και συνδέεται με τον επάνω βολβό αλλά δεν εισέρχεται μέσα του. Ο χώρος μέσα στο πτηνό περιέχει υγρό διχλωρομεθάνιο, συνήθως χρωματισμένο.

Το πουλί είναι μια θερμική μηχανή, που εκμεταλλεύεται μια διαφορά θερμοκρασίας για τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε μηχανική. Όπως όλες οι θερμικές μηχανές θερμότητας, το πουλί λειτουργεί μέσω ενός θερμοδυναμικού κύκλου. Η αρχική κατάσταση του συστήματος είναι ένα πουλί με υγρό κεφάλι προσανατολισμένο κατακόρυφα.

Η διαδικασία λειτουργεί ως εξής:

1. Το νερό εξατμίζεται από το τσόχα στο κεφάλι.
2. Η εξάτμιση μειώνει τη θερμοκρασία της γυάλινης κεφαλής (θερμότητα εξάτμισης).
3. Η μείωση της θερμοκρασίας προκαλεί συμπύκνωση ορισμένων ατμών διχλωρομεθανίου στην κεφαλή.
4. Η χαμηλότερη θερμοκρασία και η συμπύκνωση μαζί προκαλούν την πτώση της πίεσης στην κεφαλή (από τον νόμο των ιδανικών αερίων n αυξάνει p μειώνεται).
5. Η υψηλότερη τάση ατμών στη θερμότερη βάση ωθεί το υγρό στο λαιμό.
6. Καθώς το υγρό ανέρχεται, το κέντρο μάζας μετατοπίζεται προς τα πάνω και το πουλί ανατρέπεται.
7. Όταν το πτηνό αναποδογυρίζει, το κάτω άκρο του σωλήνα του λαιμού βγαίνει πάνω από την επιφάνεια του υγρού.
8. Μια φυσαλίδα θερμού ατμού ανεβαίνει το σωλήνα. διαπερνώντας το υγρό.
9. Το υγρό ρέει πίσω στον πυθμένα του βολβού. Η πίεση μεταξύ των βολβών κορυφής και πυθμένα, εξισώνεται.
10. Το βάρος του υγρού στον πυθμένα του βολβού επαναφέρει το πτηνό στην κατακόρυφη θέση του.
11. Το υγρό στο βολβό του πυθμένα θερμαίνεται από τον αέρα του περιβάλλοντος, ο οποίος βρίσκεται σε θερμοκρασία ελαφρώς υψηλότερη από τη θερμοκρασία του κεφαλιού του πουλιού.Η στάθμη του νερού κατεβαίνει και η διαδικασία θα τελειώσει όταν τελειώσει το νερό…

Το έμβολο E, κλείνει μια ποσότητα ιδανικού μονοατομικού αερίου, μέσα στο οριζόντιο κυλινδρικό δοχείο του σχήματος. Η αρχική πίεση του αερίου, ίδια με την εξωτερική ατμοσφαιρική, είναι p₁ = 10⁵ Pa. Το εμβαδόν του εμβόλου είναι Α = 0,03m². Ένα ελατήριο σταθεράς k = 2000N/m, που έχει το φυσικό του μήκος, έχει συνδεθεί στο ένα άκρο του με το έμβολο και στο άλλο με ακλόνητο στήριγμα. Τα τοιχώματα του δοχείου και το έμβολο είναι θερμομονωτικά. Ο αρχικός όγκος του αερίου στο δοχείο είναι V₁ = 0,024m³ και η αρχική θερμοκρασία είναι Τ₁ = 300K. Ένας αντιστάτης με αντίσταση R = 103Ω, ζεσταίνει το αέριο για χρονικό διάστημα Δt = 10s, ανεβάζοντας τη θερμοκρασία σε Τ₂ = 360Κ.
α) Βρείτε τη μετατόπιση του εμβόλου
β) Ποιες είναι οι τελικές τιμές πίεσης και όγκου του αερίου;
γ) Ποια είναι η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του αερίου;
δ) Ποια είναι η ενέργεια που ανταλλάσσει το αέριο μέσω έργου;
ε) Υπολογίστε την ενέργεια που δόθηκε στον αέρα με τον αντιστάτη.
στ) Ποια ήταν η ένταση του ρεύματος που πέρασε από τον αντιστάτη;

Απάντηση(pdf)

Απάντηση(word)

Μια ποσότητα αερίου μπορεί να υποστεί μεταβολή από την αρχική κατάσταση Α στην τελική κατάσταση Β με τρεις διαφορετικούς τρόπους, όπως φαίνεται στο διάγραμμα. Η θερμότητα που προσφέρθηκε στο αέριο στη μεταβολή 1 είναι Q₁ = 10p₀V₀.
i) Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του αερίου στη μεταβολή 1 είναι
α) 6p₀V₀          β) 2p₀V_0­          γ) –2p₀V₀
ii) Η θερμότητα που αντάλλαξε το αέριο στη μεταβολή 2 είναι
α) p₀V₀            β) 11p₀V_0­          γ) –2p₀V₀
iii) Η θερμότητα που αντάλλαξε το αέριο στη μεταβολή 3 είναι
α) p₀V₀            β) 2p₀V_0­          γ) 9p₀V₀
iv) Ο λόγος της μέγιστης προς την ελάχιστη θερμοκρασία που έφτασε το αέριο κατά τη διάρκεια των μεταβολών είναι
α) 14    β) 15      γ) 16

 

Απάντηση

 

Το ιδανικό αέριο μιας θερμικής μηχανής βρίσκεται μέσα σε κύλινδρο, στην κατάσταση Α, πίεσης Ρ₀, όγκου V₀, απόλυτης θερμοκρασίας Τ₀ και υποβάλλεται στις παρακάτω αντιστρεπτές μεταβολές:

ΑΒ: Αδιαβατική συμπίεση μέχρι να τετραπλασιαστεί η απόλυτη θερμοκρασία του

ΒΓ: Ισόθερμη εκτόνωση

ΓΑ: Ισοβαρής ψύξη μέχρι την αρχική του κατάσταση.

α) Βρείτε την πίεση, τον όγκο και την απόλυτη θερμοκρασία του αερίου στις καταστάσεις Β και Γ, παρουσιάζοντας τα αποτελέσματά σας σε πίνακα μεταβολών.

β) Να κάνετε ποιοτικά το διάγραμμα P-V.

γ) Υπολογίστε σε κάθε μεταβολή το έργο, τη μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας και το ποσό θερμότητας που ανταλλάσσει το αέριο με το περιβάλλον.

δ) Ποιος είναι ο συντελεστής απόδοσης αυτής της μηχανής;

ε) Ποιος θα ήταν  συντελεστής απόδοσης μιας μηχανής Carnot που θα λειτουργούσε ανάμεσα στις ίδιες θερμοκρασίες;

Δίνονται γ = 5/3, ln2 = 0,7. Οι απαντήσεις να δοθούν σε συνάρτηση με τα Ρ₀, V₀, Τ₀

ΣΥΝΕΧΕΙΑ

Τόσο η εφεύρεση (Thomas Newcomen) όσο και η βελτίωση της ατμομηχανής ( James Watt) κατά τον 18^ο αιώνα ήταν έργο Βρετανών. Ήταν μια βρετανική αποκλειστικότητα.

Τον 19^ο αιώνα η συνεχής πρόοδος στηρίχτηκε και σε Βρετανούς αλλά στο προσκήνιο της μηχανολογίας έκαναν την εμφάνισή τους και οι Γάλλοι με τον Sadi Carnot και τον Victor Regnault ,  ενώ  αργότερα η παρουσία των Γερμανών ήταν βαρύνουσα. Τόσο οι θεωρητικοί όπως ο Rudolf Clausius όσο και οι τεχνικοί, ο ένας μετά τον άλλο, ο Nicolas Otto, ο Karl Benz, o Gottlieb Daimler, ο Rudolf Diesel  και όχι μόνο  αυτοί έκαναν διαδοχικά την εμφάνισή τους.

1876. η ΜΗΧΑΝΗ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΕΩΣ Η ΠΡΏΤΗ μηχανή στην οποία η οποία η ΑΝΑΦΛΕΞΗ του καυσίμου γινόταν ΜΕΣΑ σε ένα κλειστό θάλαμο με πιστόνι. Μια τετράχρονη μηχανή.

Nikolaus August Otto ο Γερμανός εφευρέτης της κι ένας συγκεκριμένος ΚΥΚΛΟΣ  για τις μοσοσικλέτες και τα αυτοκίνητα του μέλλοντος με

Αδιαβατική συμπίεση  Ισόχωρη θέρμανση Αδιαβατική εκτόνωση Ισόχωρη ψύξη

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Το 1879, τη χρονιά που γεννήθηκε ο Αϊνστάιν, ο Karl Benz δουλεύοντας ανεξάρτητα από τον Otto πήρε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για τη δική του μηχανή εσωτερικής καύσεως.Το 1892 πούλησε το πρώτο αυτοκίνητο σε πελάτη. τρίτροχο με τετράχρονο κινητήρα εσωτερικής καύσης.

Την ίδια εποχή ο Daimler επιδιώκει να φτιάξει μικρές και γρήγορες μηχανές με την ίδια τεχνολογία.

Μελετήστε ένα χρήσιμο ΤΥΠΟΛΟΓΙΟ και διαβάστε μια ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ, από τον Βαγγέλη Μαρούση.

Πατήστε την ατμομηχανή.

Πηγή: Ylikonet.gr

2ος Νόμος Θερμοδυναμικής – Παρουσίαση