Διάγραμμα Φ/Β θερμικής μηχανής

Η θερμική μηχανή είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια. Το διάγραμμα πίεσης-όγκου (PV) περιγράφει τη διαδικασία που συμβαίνει στις θερμικές μηχανές στη σταθερή μάζα του αερίου. Ένα διάγραμμα ΦΒ αναπαρίσταται ως κλειστός βρόχος. Ο κλειστός βρόχος είναι η ποσότητα της εργασίας που γίνεται κατά τη διάρκεια ενός κύκλου.

Δομή και όροι ενός διαγράμματος ΦΒ 

Σε ένα διάγραμμα ΦΒ, ο όγκος απεικονίζεται στον οριζόντιο άξονα και η πίεση στον κατακόρυφο άξονα, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Κάθε σημείο του διαγράμματος φωτοβολταϊκών αντιπροσωπεύει καταστάσεις διαφορετικών σταδίων αερίου. Ο κλειστός βρόχος αντιπροσωπεύει κάθε κατάσταση αερίου και κάθε εργασία που γίνεται κατά τη διάρκεια του κύκλου.

• Η περιοχή κάτω από την καμπύλη περιγράφεται ως εργασία που εκτελείται στη συγκεκριμένη κατάσταση.
• Η αλλαγή της έντασης προς τα δεξιά του διαγράμματος υποδηλώνει αύξηση, ενώ προς τα αριστερά υποδηλώνει μείωση.
• Η προς τα πάνω μεταβολή της πίεσης υποδηλώνει αύξηση, ενώ προς τα κάτω υποδηλώνει μείωση.

Εσωτερική ενέργεια (ΔU) 

Η εσωτερική ενέργεια και η θερμοκρασία είναι ευθέως ανάλογες εάν δεν υπάρχει διαφυγή αερίων. Η θερμοκρασία και η εσωτερική ενέργεια θα αυξηθούν εάν αυξηθεί η πίεση ή ο όγκος. Εάν το διάγραμμα ΦΒ κινηθεί προς τα πάνω, η εσωτερική ενέργεια αυξάνεται και αντίστροφα.

Εργασία (W)

Όταν το έμβολο κινείται προς τα κάτω, ο όγκος του αερίου μειώνεται, πράγμα που σημαίνει ότι η εργασία που γίνεται είναι θετική. Όταν το έμβολο στον κύλινδρο κινείται προς τα πάνω, το αέριο μέσα στον κύλινδρο θα διασταλεί και ο όγκος θα αυξηθεί, πράγμα που σημαίνει ότι η εργασία που γίνεται είναι αρνητική.

Έτσι, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η δεξιά πλευρά του διαγράμματος φωτοβολταϊκών υποδεικνύει ότι η εργασία που έχει γίνει είναι αρνητική, ενώ η αριστερή πλευρά δείχνει ότι η εργασία που έχει γίνει είναι θετική.

Μεταφερόμενη θερμότητα (Q)

Μπορούμε να αποφασίσουμε το μέγεθος της μεταφοράς θερμότητας από το διάγραμμα ΦΒ.

Σύμφωνα με τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής,

Q =ΔU-W

Πού,

Ε:Μεταφερόμενη θερμότητα

Δ U:Αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια

W:Έγινε εργασία

Q =(+) – (-)

Έτσι, εάν η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια είναι θετική και η εργασία που γίνεται αρνητική, μπορούμε να πούμε ότι η θερμότητα που μεταφέρεται είναι θετική, πράγμα που σημαίνει ότι μεταφέρεται περισσότερη θερμότητα.

Απόδοση θερμικού κινητήρα (η)

Η απόδοση του θερμικού κινητήρα ορίζεται ως ο λόγος της εργασίας που εκτελείται από το μηχάνημα προς την ενέργεια που απορροφάται σε υψηλότερη θερμοκρασία.

Απόδοση θερμικού κινητήρα, η=Έργο που έγινε/Εισαγωγή εργασίας.

Τύποι θερμικών διεργασιών

Ένας θερμικός κινητήρας έχει διάφορες θερμικές διεργασίες.

Ισοθερμική διεργασία

Στην ισοθερμική διαδικασία, η θερμοκρασία του συστήματος παραμένει σταθερή παρά τη μεταφορά θερμότητας.

Αδιαβατική διεργασία 

Στην αδιαβατική διαδικασία, δεν υπάρχει μεταφορά θερμότητας, αλλά η θερμοκρασία του συστήματος παραμένει σταθερή (Q =0).

Ισοβαρική διεργασία

Στην ισοβαρική διαδικασία, η πίεση του συστήματος παραμένει σταθερή κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συμπίεσης ή διαστολής.

Ισοογκομετρική διεργασία

Στην ισοογκομετρική διαδικασία, ο όγκος του συστήματος παραμένει σταθερός. Αυτό είναι επίσης γνωστό ως ισοχορική διεργασία (w =0).

Εξήγηση διαγράμματος ΦΒ

Ακολουθεί το διάγραμμα ΦΒ της θερμικής μηχανής Carnot.

Οι κύκλοι ΦΒ του Carnot έχουν τέσσερα στάδια ως εξής:

1) Αναστρέψιμη διαδικασία διαστολής ισοθερμικού αερίου

Το ιδανικό αέριο στον κύλινδρο ή μέσα στη δεξαμενή υψηλής θερμοκρασίας θα απορροφήσει θερμότητα από την πηγή θερμότητας, η οποία οδηγεί σε κίνηση προς τα πάνω στο έμβολο. Έτσι, θα συμβεί διαστολή αερίου. Αυτό φαίνεται στα μέρη 1 και 2.

2) Αναστρέψιμη διαδικασία διαστολής αδιαβατικού αερίου

Η βάση είναι θερμικά μονωμένη, πράγμα που σημαίνει ότι η θερμότητα δεν μπορεί να εισέλθει ή να εξέλθει από το σύστημα, όπως φαίνεται στα μέρη 2 και 3.

3) Αναστρέψιμη διαδικασία συμπίεσης ισοθερμικού αερίου

Το περιβάλλον λειτουργεί με το αέριο και αποβάλλει την ενέργεια "Q", που φαίνεται στα μέρη 3 και 4.

4) Αναστρέψιμη διαδικασία συμπίεσης αδιαβατικού αερίου

Η διαδικασία σε έναν θερμικά μονωμένο θάλαμο θα συμπιέσει το αέριο και θα αυξήσει τη θερμοκρασία του, όπως φαίνεται στα μέρη 4 έως 1.

Συμπέρασμα

Ένα διάγραμμα φωτοβολταϊκών χρησιμοποιείται για να περιγράψει τις καταστάσεις αερίου σε κάθε στάδιο του κύκλου λειτουργίας του θερμικού κινητήρα. Ένα διάγραμμα φωτοβολταϊκών απεικονίζει τη διαδικασία που συμβαίνει στις θερμικές μηχανές στη σταθερή μάζα του αερίου. Ένα διάγραμμα φωτοβολταϊκών βρίσκεται σε κλειστό βρόχο, που αντιπροσωπεύει την ποσότητα της εργασίας που γίνεται κατά τη διάρκεια ενός κύκλου.

Ένα διάγραμμα ΦΒ απεικονίζει τον όγκο στον οριζόντιο άξονα και την πίεση στον κατακόρυφο άξονα. Κάθε σημείο του διαγράμματος ΦΒ αντιπροσωπεύει καταστάσεις διαφορετικών σταδίων αερίου.