Schimbul de energie mecanica dintre sistemul termodinamic inchis si mediul exterior (lucrul mecanic exterior); diagrama dinamica p-V.

Schimbul de energie mecanica dintre sistemul termodinamic inchis si mediul exterior (lucrul mecanic exterior); diagrama dinamica p-V.

Obtinerea energiei mecanice este posibila prin activitatea sistemelor termodinamice. Se considera ca sistemul termodinamic este inchis intr-un cilindru etans (i) in care se deplaseaza fara frecare un piston (P). Starea initiala 1 este caracterizata prin parametrii: p₁,V₁,T₁.

Gazul executa o destindere reversibila in care presiunea scade si volumul creste. Intr-o pozitie oarecare (p, V), pistonul se deplaseaza pe o distanta infinit de mica (dl), forta de apasare fiind: F = p S, S - suprafasa pistonului.

Se admite ca pentru deplasarea dl presiunea absoluta p ramane constanta, iar lucrul mecanic elementar efectuat de sistemul termodinamic asupra pistonului va fi:

si reprezinta lucrul mecanic exterior absolut sau lucrul mecanic absolut de dilatare,adica energia mecanica pe care sistemul termodinamic inchis o cedeaza mediului exterior. Se observa ca lucrul mecanic elementar dL este aria dreptunghiului elementar cu baza dV si inaltimea p(Fig.2.6). Presiunea fiind intotdeauna pozitiva (ca presiune absoluta), semnul lucrului mecanic exterior absolut este dat de semnul variatiei volumului:

dV> T dL>0

dV< T dL<0

L₁₂ este exprimat prin aria cuprinsa intre curba p = f(V), abscisa si dreptele V₁ = ct si V₂ = ct. Ca unitati de masura :

[p] =1 N/m²; [V] =1 m³; [L] =1 N m =1 J [Joule]

Trasarea transformarilor termo-dinamice in diagrama dinamica p-V este des utilizata deoarece aria dintre curba transformarii si abscisa reprezinta schimb de energie mecanica intre sistem si incinta. Diagramele p-T si T-V nu sunt utilizate.Lucrul mecanic exterior nu este o marime de stare, ci numai un schimb de energie mecanica efectuat pe durata transformarii 1-2 (dL - nu este o diferentiala totala exacta, se scrie L₁₂  si nu L₂-L₁).

Se considera un sistem termodinamic care evolueaza intre V_min si V_max(Fig.2.7).

In succesiunea de transformari 1-a-2 se obtine un lucru mecanic de destindere L_d>0 (aria 1-a-2-V_max -V_min -1). Sistemul revine la starea initiala pe traseul 2-b-1, consumandu-se lucrul mecanic de compresie L_K<0 (aria 2-V_max - V_min - 1-b-2), iar L_K <L_d.

Pentru transformarea reversibila inchisa 1-a-2-b-1 (un ciclu) bilantul lucrului mecanic exterior este:

L_C = L_d+L_K = L_d- L_K =

Acest lucru mecanic este reprezentat prin aria 1-a-2-b-1. O transformare inchisa repetata periodic se numeste ciclu, iar lucrul mecanic pe ciclu (L_C) are ca unitati (J/ciclu).

Durata de efectuare a unui ciclu este numita perioada ciclica , notata t_C (s/ciclu); inversa ei fiind frecventa ciclica , notata n_C (cicluri/s). Puterea mecanica a sistemului termodinamic va fi: P = L_C n_C = L_C/t_C  [W].

Pentru un sistem direct P>0 (produsa), iar pentru un sistem invers P<0 (consumata). Presiunea medie a ciclului este:

Influenta presiunii p₀ a mediului exterior.

Incinta este situata in mediul exterior a carui presiune absoluta este p₀ (Fig.2.8), care actioneaza in sens contrar cu presiunea p a sistemului. Pentru o transformare deschisa 1-2, la deplasarea pistonului in sensul cresterii volumului, trebuie sa se consume energia:

L₀ = -p₀ ΔV = -p₀ (V₂-V₁)

deci lucrul mecanic disponibil (util) la fata exterioara a incintei   si care poate fi utilizat in exterior este:

L_u este reprezentat de aria hasurata vertical si se mai poate calcul direct cu relatia:

unde (p-p₀)este presiunea relativa (manometrica). Forta efectiva utila F_u asupra pistonului intr-un moment oarecare este:

F_u = (p-p₀) S

Pentru o transformare inchisa in care variatia totala a volumului este:

ΔV = (V_max -V_min)+(V_min-V_max) = 0

Deci, pentru ambele sensuri de deplasare a pistonului, lucrul mecanic total al fortelor exterioare este egal cu zero; astfel in calculul lucrului mecanic L_c pe ciclu nu se ia in consideratie influenta presiunii exterioare p₀.