Reverzibilis és irreverzibilis folyamatok

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.

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.

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.

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.

A legfontosabb irreverzibilis folyamatok Súrlódás Fojtás Hőcsere véges hőmérsékletkülönbség mellett

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

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

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.

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

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.

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

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

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.

A rendszer álljon egy Carnot körfolyamatot megvalósító berendezésből, 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

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

Axiális gázsűrítők valóságos kompressziós folyamata Politropikus munkatöbblet p2 2v 2i p1 Izentrópikus sűrítés munkája p1’ 1 1’ Súrlódási hő s

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

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

Az axiális gázsűrítő izentrópikus és politropikus hatásfokának összefüggése

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

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

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

Az axiális turbina izentrópikus és politropikus hatásfokának összefüggése

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

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?

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!

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?