Reverzibilis és irreverzibilis folyamatok

1. Reverzibilis és irreverzibilis folyamatok

2. Reverzibilis folyamat Reverzibilis (megfordítható) változást szenved el az a rendszer, melyen ugyanazon változást az ellenkező irányba elvégezve, mind a rendszer mind a környezete a kiindulási állapotba jut vissza.

3. Két példa a reverzibilis folyamatra • Súrlódásmentes inga lengése A mozgási és a helyzeti energia folyamatos átalakulása, minden periódus végén az inga ugyanazt az állapotot veszi fel, tehát sem a rendszerben (az inga) sem annak környezetében nem észlelhető nyoma az energiaátalakulásoknak) • Súrlódásmentes, adiabatikus kompresszió vagy expanzió Súrlódásmentes, adiabatikus expanzió során a rendszer munkát végez belső energiája rovására, mechanikai energiát ad át a környezetének és lehűl. Ugyanezen munka segítségével a megfordított súrlódásmentes, adiabatikus kompresszió során eléri eredeti nyomását és közben visszamelegszik eredeti hőmérsékletére.

4. Irreverzibilis folyamat Irreverzibilis az olyan folyamat, melyre nem teljesülnek a reverzibilis folyamat feltételei, azaz • ugyanazon változást az ellenkező irányba elvégezve, nem lehet eljutni a kiinduló állapotba, vagy másként, • a kiinduló állapotba a rendszer csak úgy vihető vissza, hogy a környezetében maradandó változás történik.

5. Két példa az irreverzibilis folyamatra • Súrlódásos mozgás A testet a súrlódási erő ellenében eltolva egy felületen, hő keletkezik, mely a környezetnek átadódik. A testet visszatolva ugyanazon az úton ismét hő keletkezik, mely ismét a környezetnek adódik át. A rendszer (a test) az eredeti állapotba került, de a környezetében maradandó változás történt (felmelegedés). • Súrlódásos, adiabatikus kompresszió vagy expanzió Súrlódásos, adiabatikus expanzió során a rendszer munkát végez belső energiája rovására, mechanikai energiát ad át a környezetének és lehűl. Lehűlése azonban kisebb mértékű és a súrlódási hővel megegyező mértékben kisebb a környezetnek átadott mechanikai munka is. A kisebb munka nem lehet elégséges a kiindulási nyomásra történő visszakomprimáláshoz még abban az esetben sem, ha a kompresszió egyébként súrlódásmentes és adiabatikus lenne, arról nem is beszélve, hogy a rendszer hőmérséklete elkerülhetetlenül nagyobb lesz, mint a kiindulási állapotban.

6. A legfontosabb irreverzibilis folyamatok • Súrlódás • Fojtás • Hőcsere véges hőmérsékletkülönbség mellett

7. A súrlódás A gázok melegítése és hűtése a gyakorlatban állandónak feltételezett nyomáson zajlik le. Ez azonban csakis akkor igaz, ha hidraulikai ellenállás (súrlódás) nincs!

8. A súrlódás által okozott irreverzibilitás Az ideális adiabatikus expanzió során nyerhető fajlagos munkával egyenlő hőmennyiség, ha NINCSnyomásveszteség T Az ideális adiabatikus expanzió során nyerhető fajlagos munkával egyenlő hőmennyiség, ha VANnyomásveszteség Súrlódásmentes melegedés pl. egy hőcserélőben pir pr A nyomásveszteség miatt elvesztett fajlagos munkával egyenlő hőmennyiség po 2ir 2r Az irreverzibilis változás miatt entrópia-növekedés lép fel 1 3ir 3r s sir

9. A fojtás Olyan állapotváltozás, melyet a nagyobb nyomású térből a kisebb nyomású térbe, szűk keresztmetszeten átáramló közeg szenved el. A közeg gyakorlatilag adiabatikusan expandál, majd pedig közel állandó nyomáson visszamelegszik eredeti hőmérsékletére. Munkavégzés nem történik. Az expanziónak megfelelő munka a keresztmetszeten történt átáramlás utáni örvénylés során hővé alakul. Ez eredményezi a közeg visszamelegedését.

10. A fojtás által okozott irreverzibilitás T A fojtás=adiabatikus expanzió+izobar visszamelegedés az eredeti hőmérsékletre p2 p1 po Az egységnyi munkaközeg esetében fellépő veszteség 2 1 3eir 3er s

11. A véges hőfokkülönbség mellet történő hőcsere Hőcsere a valóságban csak akkor jöhet létre két test között, ha az egyik hőmérséklete véges mértékben magasabb a másikénál.

12. A véges hőfokkülönbség mellet történő hőcsere okozta irreverzibilitás T p1 1m 2h Tm 2m 1h Th sh sm s

13. A véges hőfokkülönbség mellet történő hőcsere okozta irreverzibilitás Az egységnyi munkaközeg esetében fellépő veszteség

14. Az irreverzibilitás hatása Bármilyen természetű irreverzibilis állapotváltozás rontja a rendszer munkavégző-képességét és így csökkenti a folyamat hatásfokát. Az irreverzibilis változás esetén az entrópia növekszik.

15. Véges szigetelt rendszer entrópia-változása a véges hőmérsékletkülönbség miatt bekövetkező irreverzibilitás hatására T Annak a hőtartálynak a hőmérséklete, ahová a Carnot körfolyamat a hőt leadja A rendszer álljon egy Carnot körfolyamatot megvalósító berendezésből, egy magas hőmérsékletű hőtartályból, ahonnan berendezés hőt vehet fel és egy alacsony hőmérsékletű hőtartályból, ahová a berendezés hőt adhat le. T1 T1’ Carnot körfolyamat T2’ T2 s Annak a hőtartálynak a hőmérséklete, ahonnan a Carnot körfolyamat a hőt kapja

16. Véges szigetelt rendszer entrópia-változása a véges hőmérsékletkülönbség miatt bekövetkező irreverzibilitás hatására Véges szigetelt rendszer entrópiája az irreverzibilitások hatására növekszik

17. Axiális gázsűrítők valóságos kompressziós folyamata T Politropikus munkatöbblet p2 2v 2i p1 Izentrópikus sűrítés munkája p1’ 1 1’ Súrlódási hő s

18. Axiális gázsűrítő izentrópikus hatásfoka Az ideális adiabatikus és a valóságos politropikus gázsűrítő munkaszükségletének hányadosa.

19. Az axiális gázsűrítő politropikus hatásfoka Az ideális politropikus és a valóságos politropikus gázsűrítő munkaszükségletének hányadosa.

20. Az axiális gázsűrítő izentrópikus és politropikus hatásfokának összefüggése

21. Az axiális turbina valóságos expanziós folyamat T Hasznosuló súrlódási hő p1 1 p2 Izentrópikus turbina munkája Súrlódás miatti veszteség 2v 2i Súrlódás miatti veszteség s

22. Az axiális turbina izentrópikus hatásfoka A valóságos politropikus és az ideális adiabatikus turbina munkájának hányadosa.

23. Az axiális turbina politropikus hatásfoka A valóságos politropikus és az ideális politropikus turbina munkájának hányadosa.

24. Az axiális turbina izentrópikus és politropikus hatásfokának összefüggése

25. Az axiális turbina és az axiális gázsűrítő izentrópikus hatásfoka a nyomásviszony függvényében i pk= pt Turbina Kompresszor p2/p1

26. Ellenőrző kérdések (1) • Mit értünk reverzibilis folyamat alatt? • Mondjon egy példát a reverzibilis folyamatra a szilárd testek mechanikájából! • Mondjon egy példát a reverzibilis folyamatra a termodinamikából! • Mit értünk irreverzibilis folyamat alatt? • Mondjon egy példát az irreverzibilis folyamatra a szilárd testek mechanikájából! • Mondjon egy példát az irreverzibilis folyamatra a termodinamikából! • Melyek a legfontosabb irreverzibilis folyamatok? • Milyen viszonyban van egymással ugyanazon folyamat reverzibilis és irreverzibilis végrehajtása során elért végállapotának entrópiája?

27. Ellenőrző kérdések (2) • Hogyan függ össze egy folyamat során bekövetkező entrópia változás és a folyamat reverzibilis, ill. irreverzibilis volta? • Szemléltesse a T-s koordinátarendszer segítségével, hogy a gázok felmelegítése vagy lehűtése során a súrlódás miatt bekövetkező nyomásveszteség entrópia növekedést eredményez! • Milyen esetben jelent tényleges energiaveszteséget, ha egy folyamat irreverzibilis? • Szemléltesse a T-s koordinátarendszer segítségével, hogy egy fojtáson történő átáramlás irreverzibilis! • Mutassa ki a T-s koordinátarendszer segítségével, hogy a véges hőfokkülönbség miatt a gázok felmelegítése vagy lehűtése eleve irreverzibilis!

28. Ellenőrző kérdések (3) • Szemléltesse a T-s koordináta rendszerben a turbókompresszorokban lezajló ideális és valóságos kompresszió folyamatát! • Mit értenek politropikus munkatöbblet alatt egy turbókompresszor működésével kapcsolatban? • Szemléltesse a T-s koordináta rendszerben a gázturbinákban lezajló ideális és valóságos expanzió folyamatát! • Mit értenek hőhasznosulás alatt egy gázturbinában lezajló valóságos expanzió kapcsán? • Mit kell érteni egy turbókompresszor politropikus hatásfoka alatt? • Mit kell érteni egy turbókompresszor izentropikus hatásfoka alatt? • Mit kell érteni egy gázturbina politropikus hatásfoka alatt? • Mit kell érteni egy gázturbina izentropikus hatásfoka alatt?