Uzasadnienie: 

Naszym zadaniem jest scharakteryzowanie cyklów termodynamicznych dla silnika i pompy cieplnych.

▲ Charakterystyka cyklu termodynamicznego dla silnika cieplnego:

• Kierunek cyklu na wykresie p(V)p(V): 
  Na wykresie p(V)p(V) pole zamknięte przez cykl odpowiada pracy mechanicznej wykonanej przez gaz Jeśli obieg przebiega zgodnie z ruchem wskazówek zegara, to pole ma znak dodatni – oznacza to, że gaz w trakcie cyklu emituje energię. To właśnie odpowiada działaniu silnika cieplnego: przekształca część energii cieplnej w mechaniczną.

• Stan końcowy gazu:
  Silnik działa cyklicznie. Po zakończeniu pełnego obiegu gaz wraca do stanu wyjściowego (ma takie samo ciśnienie, objętość i temperaturę). Dzięki temu proces może być powtarzany wielokrotnie – silnik nie zużywa gazu roboczego, tylko korzysta z niego jako z nośnika energii.

• Transport ciepła: 
  Druga zasada termodynamiki mówi, że przepływ ciepła zawsze samorzutnie odbywa się od ciała cieplejszego do chłodniejszego. W silniku cieplnym mamy więc źródło wysokotemperaturowe (np. spaliny, para wodna), które oddaje ciepło do gazu. Następnie część tego ciepła gaz oddaje do otoczenia o niższej temperaturze. Różnica między pobranym a oddanym ciepłem stanowi źródło pracy mechanicznej.

• Skutek działania cyklu: 
  W wyniku cyklu termodynamicznego silnika nie tylko zachodzi przepływ ciepła, ale także część tej energii zamieniana jest na energię mechaniczną – pracę, którą silnik może przekazać. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki nie jest możliwe, aby całe ciepło zamienić w pracę – pewna jego część musi zostać odprowadzona do chłodniejszego otoczenia.

▲ Charakterystyka cyklu termodynamicznego dla pompy cieplnej:

• Kierunek cyklu na wykresie $p\left(V\right)$p(V)p(V):
  Na wykresie p(V)p(V) pole zamknięte przez cykl wskazuje wartość pracy związanej z obiegiem. Jeśli cykl przebiega przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek zegara, praca ma znak ujemny – oznacza to, że to otoczenie wykonuje pracę na gazie. I właśnie to jest istotą działania pompy ciepła: musi być dostarczona energia mechaniczna, aby cały cykl mógł zachodzić.

• Stan końcowy substancji roboczej: 
  Pompa ciepła jest urządzeniem działającym cyklicznie, a więc po przejściu pełnego cyklu substancja robocza powraca do swojego stanu początkowego – ma tę samą temperaturę, ciśnienie i objętość. Dzięki temu czynnik roboczy może być wykorzystywany w nieskończonej liczbie obiegów, a urządzenie działa ciągle.

• Transport ciepła:
  W naturalnych warunkach ciepło przepływa samorzutnie od cieplejszego do zimniejszego ośrodka. Pompa ciepła wymusza proces odwrotny – pobiera energię cieplną z otoczenia o niższej temperaturze (np. zimne powietrze na zewnątrz zimą, chłodna gleba czy woda gruntowa) i przekazuje ją do obiektu o temperaturze wyższej (np. wnętrze budynku, które chcemy ogrzać). Taki przepływ jest możliwy tylko dzięki wykonaniu dodatkowej pracy z zewnątrz – bez niej byłby sprzeczny z drugą zasadą termodynamiki.

• Skutek działania cyklu:
  Cały cykl termodynamiczny pompy ciepła nie prowadzi do uzyskania pracy mechanicznej na zewnątrz, lecz wymaga jej dostarczenia. To właśnie energia dostarczona z zewnątrz (najczęściej w postaci energii elektrycznej zużywanej przez sprężarkę) umożliwia sprężanie i rozprężanie czynnika, a tym samym transport ciepła „pod górę”, czyli z obszaru zimniejszego do cieplejszego. Praca ta nie jest więc efektem ubocznym, ale niezbędnym warunkiem działania urządzenia.

 

 Odpowiedź: 

✹ Dla silnika cieplnego:

Cykl termodynamiczny silnika cieplnego to szereg przemian gazu roboczego, które przedstawione na wykresie p(V)p(V), następują w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara. Stan gazu roboczego na końcu cyklu jest taki sam jak stan początkowy. Transport ciepła następuje ze źródła o temperaturze wyższej do źródła ciepła o temperaturze niższej. Aby została spełniona druga zasada termodynamiki, w trakcie cyklu uzyskujemy pracę wykonaną przez silnik.

✹ Dla pompy cieplnej:

Cykl termodynamiczny pompy ciepła to szereg przemian substancji roboczej zachodzących w układzie zamkniętym, które na wykresie p(V)p(V  $p\left(V\right)$ następują w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Stan substancji roboczej na końcu cyklu jest taki sam jak stan początkowy. Transport ciepła następuje ze źródła o temperaturze niższej do źródła ciepła o temperaturze wyższej. Aby została spełniona druga zasada termodynamiki, w trakcie cyklu pompa ciepła musi wykonać pracę.