FIZIKA I. Mechanika, Hõtan.

Körfolyamatok

Körfolyamatnak nevezzük azokat a folyamatokat amelyeknél a termodinamikai rendszer kezdõ és végállapota megegyezik. A körfolyamat lejátszódása után a rendszer eredeti termodinamikai állapotába jut vissza, vagyis a körfolyamat változatlan feltételek mellett újrajátszható, ez teszi lehetõvé a ciklikus mûködést. A körfolyamat azonban változásokat hoz létre a termodinamikai rendszer környezén, pl. hõt von el egy hõtartályból, hõt ad le egy másiknak, munkát végez a környezetén. A környezet tehát nem jut vissza eredeti állapotába a teljes körfolyamat lejátszásakor. Az olyan körfolyamatokat, amelyek (miután egyik irányba végigfutottak) fordított irányú lejátszás során a környezetet is visszajuttatják az eredeti állapotba, reverzibílis (megfodítható) körfolyamat oknak nevezzük.

A körfolyamat során mivel a rendszer eredeti állapotába jut vissza, az E belsõenergia változása 0. Ez a tény az I. fõtételnél a következõkhöz vezet:

$\begin{displaymath}\oint dE=\oint \delta Q+\oint \delta W \Rightarrow -\oint \delta W=\oint \delta Q\end{displaymath}$

A termodinamikai rendszer a körfolyamat során $W'^{*}=-\oint \delta W$ munkát végzett a környezetén. $\oint \delta Q$ a rendszer által a körfolyamat során fölvett/leadott hõk elõjeles összegét (integrálját) jelenti. Ezt szét szokás bontani olyan részfolyamatokra, amelyekél a rendszer energiát vesz föl környezetébõl. illetve olyan részfolyamatokra, amelyeknél a rendszer ad le energiát hõ formájában. $Q_{+}=\oint \delta Q_{+}$ jelenti a fölvett hõt, ha a következõ definícióval élünk: $\delta Q_{+}=\delta Q$ ha $\delta Q>0$ , egyébként 0. A hasonlóan bevezett $Q_{-}$ -t is felhasználva a körfolyamatokra átírt I. fõtétel a következõképpen hangzik:

$\begin{displaymath}W^{'*}=Q_{+}+Q_{-}\end{displaymath}$

(39)

Érdemes felfigyelnünk arra a tényre, hogy a körfolyamatunkban szemérmetlen egyszerûséggel ``környezet'' -nek nevezett valami legalább három különbözõ környezetet jelent. Nyilván nem ugyanabból a környezetbõl vesz fel hõt, amelybe lead, s a mechanikai munkát sem azon a környezeten végzi amibõl pl. a hõt felveszi. Az egyes környezetekkel vagy egymást kizáró módon - felváltva - kerül kapcsolatba a termodinamikai rendszer (pl. $Q_{+}, Q_{-}$ ), vagy pedig egyidejûleg többel is (pl. $W^{'*}, Q_{+}$ ).

Azt a képzeletbeli gépet, amely energia bevezetése nélkül képes munkát végezni, elsõfajú örökmozgónak (perpeetum mobile) nevezzük. Ez a jelöléseinkkel azt jelentené, hogy

$\begin{displaymath}Q_{+}+Q_{-}=0, de W^{'*}\neq 0\end{displaymath}$

Az elsõ fõtétel tehát ennek lehetõségét tagadja.

Azt a szintén csak képzeletbeli ( ciklikusan mûködõ ) gépet, amely egyetlen hõtartályból fölvett energiát azzal egyenértékû mechanikai munkává lenne képes átalakítani, anélkül, hogy a ciklus alatt egy másik hõtartálynak energiát adna le ( $Q_{-}=0$ ), másodfajú örökmozgónak nevezzük. Ez a jelöléseinkkel azt jelentené, hogy :

$\begin{displaymath}Q_{-}=0 W^{'*}=Q_{+}\end{displaymath}$

Az elsõ fõtétel szerint ugyan energetikai szempontból minden rendben van, azonban a termodinamika II. fõtétele tiltja.

A körfolyamat során végzett mechanikai munka lehet pozitív, $W^{'*}>0$ ekkor erõgépi ciklusról beszélünk. Ha a környezet végez munkát a rendszeren, vagyis $W^{'*}<0$ akkor attól függõen, hogy ( 39)-ben mi a fontos nekünk, $Q_{+}, vagy Q_{-}$ más-más elnevezést használunk. Ha a $Q_{+}$ fontos számunkra (a rendszer által fölvett, vagyis a környezettõl elvont hõ), akkor õ egy hûtõgép, ha pedig a $Q_{-}$ a fontos (azaz a rendszer által a környezet felé leadott hõ), akkor azt mondjuk, hogy õ egy hõszivattyú. Ezen gépeket minõsíthetjük azzal, hogy mit kapunk, s milyen áron. Az erõgépi ciklus hatásfoka: $\eta =W^{'*}/Q_{+}$ vagyis a termodinamikai rendszer által egy ciklus alatt végzett munka és a rendszerhez vezetett hõ (befektetett energia) aránya. A másik két üzemmód során a környezet mechanikai munkát végez a termodinamikai rendszeren (pl. villanymotor forgatja a hûtõgép kompresszorát), ekkor hatásfok helyett az illetõ berendezés jóságáról beszélünk, pl. hõszivattyú esetén a jóság: $Q_{-}/\vert W^{'*}\vert$ .

Tartalom Elõzõ Kõvetkezõ Tárgymutató