תרמודינמיקה ויישומיה במערכות תעופה

‫תרמודינמיקה ומחזורים‬
‫תרמודימיים‬
‫"אנימוס" חברה לפיתוח ויישום מערכות‬
‫הדרכה בע"מ‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫• כללי‬
‫בדומה לדינמיקה העוסקת בשינויי אנרגיה פוטנציאלית וקינטית בעזרת‬
‫עבודה‪ ,‬תרמודינמיקה עוסקת בשינויי אנרגיה בעזרת מעבר חום ולא‬
‫רק בעזרת ביצוע עבודה‪.‬‬
‫תרמודינמיקה היא ענף בפיסיקה הקלאסית‪ ,‬העוסק בחקר האנרגיה‪,‬‬
‫התמורות שהיא עוברת בין מופעים שונים שלה והיכולת של אנרגיה‬
‫לבצע עבודה‪.‬‬
‫התרמודינמיקה מנסה להבין ולנתח את התמורות והאנרגיות ה"נסתרות"‬
‫בחומר‪ ,‬כגון חום ואנטרופיה‪ ,‬תמורות שאי אפשר להבחין בהן או‬
‫למדוד אותן בעזרת התצפיות המקרוסקופיות‪.‬‬
‫בעזרת נתונים מעטים וכלים פשוטים‪ ,‬מעניק ענף זה של הפיזיקה יכולת‬
‫ניתוח מרשימה למערכות בהן הוא עוסק‪.‬‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫• תרמודינמיקה (תורת החום)‬
‫תרמודינמיקה באה מהמילה היוונית תרמה‪ ,‬שפרושה "חום"‬
‫ודינמיקס שפירושו "כוח"‪ ,‬זהו ענף בפיזיקה החוקר את‬
‫ההשפעות של שינויים בטמפרטורה‪ ,‬בלחץ‪ ,‬ובנפח על מערכות‬
‫פיסיקליות‪.‬‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫במסגרת השתלמות זו לא נלמד את כל התרמודינמיקה אלא‬
‫נתמקד בעקרונות בלבד ובמחזורים התרמודינמיים המעניינים‬
‫אותנו כגון‪:‬‬
‫‪ ‬מחזור ברייטון‬
‫‪ ‬מחזור אוטו‬
‫‪ ‬מחזור דיזל‬
‫‪ ‬מחזור קרנו‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫התרמודינמיקה מבוססת בעקרון על שלושה חוקים‪:‬‬
‫‪ ‬החוק הראשון ‪ -‬חוק שימור האנרגיה‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫‪ ‬החוק השני ‪ -‬חום הוא אנרגיה וזורם ממקור גבוה למקור נמוך‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫‪ ‬החוק השלישי ‪ -‬האפס המוחלט (‪ )-2730C‬היא הטמפרטורה‬
‫הנמוכה ביותר‪.‬‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫ניתן להוסיף גם את חוק האפס של התרמודינמיקה שהוא למעשה‬
‫חוק היגיון או חוק מתמטי‪.‬‬
‫אם מערכות ‪ A‬ו‪ B -‬נמצאות בשיווי משקל תרמי זו עם זו ומערכות ‪B‬‬
‫ו‪ C-‬גם כן‪ ,‬אזי ‪ A‬ו‪ C-‬נמצאות גם כן בשיווי משקל תרמי זו עם זו‪.‬‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫• חוקי הגזים‬
‫גזים מתנהגים בצורה שונה מנוזלים בכך שאינם דחיסים‪.‬‬
‫הגורמים המאפיינים גז הם‪:‬‬
‫‪ - P‬לחץ‬
‫‪ - V‬נפח‬
‫‪ - T‬טמפרטורה‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫משוואת המצב של הגזים אומרת‪:‬‬
‫כלומר‪ ,‬מכפלת הלחץ בנפח חלקי הטמפרטורה הם גודל קבוע‬
‫התלוי רק בכמות הגז‪.‬‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫המילה ‪ CONST‬פירושה קבוע‪ .‬כלומר‪:‬‬
‫‪PV = nRT‬‬
‫‪ - P‬לחץ‬
‫‪ - V‬נפח‬
‫‪ - T‬טמפרטורה (במעלות קלווין)‬
‫‪ - n‬מספר המולים (כמות הגז)‬
‫‪ - R‬קבוע‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫מחזורים תרמודינמיים מבוססים על מעבר הגז באחת מ‪4 -‬‬
‫האפשרויות הבאות‪:‬‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫• המחזור התרמודינמי של מנועי סילון נקרא מחזור ברייטון‪.‬‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫• המחזור התרמודינמי של מנוע סילון‬
‫מנוע סילון כולל את אותם ארבע פעולות של מנוע בוכנה‪ :‬יניקה‪,‬‬
‫דחיסה‪ ,‬בעירה ופליטה‪ ,‬אולם במנוע בוכנה‪ ,‬הם מתרחשים‬
‫באותו מקום (בצילינדר) ובמנוע סילון במקומות שונים‪.‬‬
‫פליטה‬
‫עבודה‬
‫דחיסה‬
‫יניקה‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫מנוע סילון פועל בהתאם למחזור תרמודינמי הנקרא מחזור‬
‫ברייטון‪.‬‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫חשוב לזכור!‬
‫‪ ‬הדחיסה ‪ -‬אדיאבטית‬
‫‪ ‬הבעירה ‪ -‬איזוברית‬
‫‪ ‬התפשטות על הטורבינה ‪ -‬אדיאבטית‬
‫‪ ‬הפליטה ‪ -‬איזוברית‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫• מחזור אוטו (‪)OTTO CYCLE‬‬
‫מחזור אוטו הוא המחזור‬
‫התרמודינמי של מנועי‬
‫בוכנה (בנזין) ומתואר‬
‫באיור‪.‬‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫מחזור אוטו מורכב מארבעה מהלכים בהתאם לארבע הפעימות‬
‫במנוע בוכנה‪:‬‬
‫‪ ‬אדיאבטי‬
‫‪ ‬איזוכורי‬
‫‪ ‬אדיאבטי‬
‫‪ ‬איזוכורי‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫• מחזור דיזל‬
‫מחזור נוסף הוא מחזור דיזל‬
‫המאפיין מנועי דיזל (לא בנזין)‬
‫המחזור מורכב משתי‬
‫אדיאבטות‪ ,‬איזוכורה ואיזוברה‪.‬‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫• מחזור קרנו (‪)CARNOT CYCLE‬‬
‫מחזור נוסף הוא מחזור קרנו‬
‫הבנוי משני תהליכים איזותרמיים‬
‫ושני תהליכים אדיאבטיים‪.‬‬
‫מחזור זה מספק את העבודה‬
‫המרבית‪.‬‬
‫תרמודינמיקה ומחזורים תרמודינמיים‬
‫• מחזור קרנו בפעולה‬