Otto Cycle – Prozesse
In einem idealen Otto- Zyklus durchläuft das System, das den Zyklus ausführt, eine Reihe von vier intern reversiblen Prozessen: Zwei isentrope (reversible adiabatische) Prozesse wechseln sich mit zwei isochoren Prozessen ab:
- Isentropische Kompression (Kompressionshub) – Das Gas (Kraftstoff-Luft-Gemisch) wird von Zustand 1 nach Zustand 2 adiabatisch komprimiert, wenn sich der Kolben vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegt. Die Umgebung arbeitet mit dem Gas, erhöht seine innere Energie (Temperatur) und komprimiert es. Andererseits bleibt die Entropie unverändert. Die Volumenänderungen und das Verhältnis ( V 1 / V 2 ) werden als Kompressionsverhältnis bezeichnet.
- Isochore Kompression (Zündphase) – In dieser Phase (zwischen Zustand 2 und Zustand 3) findet eine Wärmeübertragung mit konstantem Volumen (der Kolben ruht) von einer externen Quelle auf die Luft statt, während sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet . Dieser Vorgang soll die Zündung des in die Kammer eingespritzten Kraftstoff-Luft-Gemisches und die anschließende schnelle Verbrennung darstellen. Der Druck steigt und das Verhältnis ( P 3 / P 2 ) wird als “Explosionsverhältnis” bezeichnet.
- Isentropische Expansion (Krafthub) – Das Gas expandiert adiabatisch von Zustand 3 nach Zustand 4, wenn sich der Kolben vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt bewegt. Das Gas wirkt auf die Umgebung (Kolben) ein und verliert eine innere Energie, die der Arbeit entspricht, die das System verlässt. Auch hier bleibt die Entropie unverändert. Das Volumenverhältnis ( V 4 / V 3 ) ist als das isentrope Expansionsverhältnis bekannt, aber für den Otto-Zyklus ist es gleich dem Kompressionsverhältnis.
- Isochore Dekompression (Abgastakt) – In dieser Phase wird der Zyklus durch einen Prozess mit konstantem Volumen abgeschlossen, bei dem Wärme aus der Luft abgeführt wird, während sich der Kolben im unteren Totpunkt befindet. Der Arbeitsgasdruck fällt augenblicklich von Punkt 4 auf Punkt 1. Das Auslassventil öffnet bei Punkt 4. Der Auslasstakt erfolgt unmittelbar nach dieser Dekompression. Wenn sich der Kolben bei geöffnetem Auslassventil vom unteren Totpunkt (Punkt 1) zum oberen Totpunkt (Punkt 0) bewegt, wird das Gasgemisch in die Atmosphäre abgelassen und der Prozess beginnt von neuem.
Während des Otto-Zyklus wird vom Kolben zwischen den Zuständen 1 und 2 ( isentropische Kompression ) am Gas gearbeitet . Die Arbeit am Gas am Kolben erfolgt zwischen den Stufen 3 und 4 ( isentropische Expansion ). Der Unterschied zwischen der vom Gas geleisteten Arbeit und der am Gas geleisteten Arbeit ist das vom Kreislauf erzeugte Netz und entspricht der von der Kreislaufkurve umschlossenen Fläche. Die durch den Zyklus erzeugte Arbeit multipliziert mit der Geschwindigkeit des Zyklus (Kreisprozessen pro Sekunde) entspricht der vom Otto-Motor erzeugten Leistung.
Isentropischer Prozess
Ein isentropischer Prozess ist ein thermodynamischer Prozess , bei dem die Entropie des Fluids oder Gases konstant bleibt. Dies bedeutet, dass der isentrope Prozess ein Sonderfall eines adiabatischen Prozesses ist, bei dem keine Wärme- oder Materieübertragung stattfindet. Es ist ein reversibler adiabatischer Prozess . Die Annahme, dass keine Wärmeübertragung stattfindet, ist sehr wichtig, da wir die adiabatische Näherung nur in sehr schnellen Prozessen verwenden können .
Isentropischer Prozess und das erste Gesetz
Für ein geschlossenes System können wir den ersten Hauptsatz der Thermodynamik in Bezug auf die Enthalpie schreiben :
dH = dQ + Vdp
oder
dH = TdS + Vdp
Isentropischer Prozess (dQ = 0):
dH = Vdp → W = H 2 – H 1 → H 2 – H 1 = C p (T 2 – T 1 ) (für ideales Gas )
Isentropischer Prozess des idealen Gases
Der isentrope Prozess (ein Sonderfall des adiabatischen Prozesses) kann mit dem idealen Gasgesetz ausgedrückt werden als:
pV κ = konstant
oder
p 1 V 1 κ = p 2 V 2 κ
wobei κ = c p / c v das Verhältnis der spezifischen Wärme (oder Wärmekapazitäten ) für das Gas ist. Eine für konstanten Druck (c p ) und eine für konstantes Volumen (c v ) . Es ist zu beachten, dass dieses Verhältnis κ = c p / c v ein Faktor bei der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in einem Gas und anderen adiabatischen Prozessen ist.
Isochorischer Prozess
Ein isochorer Prozess ist ein thermodynamischer Prozess, bei dem das Volumen des geschlossenen Systems konstant bleibt (V = const). Es beschreibt das Verhalten von Gas im Behälter, das nicht verformt werden kann. Da das Volumen konstant bleibt, funktioniert der Wärmeübergang in oder aus dem System nicht mit p∆V , sondern ändert nur die innere Energie (die Temperatur) des Systems.
Isochorischer Prozess und das erste Gesetz
Die klassische Form des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik ist die folgende Gleichung:
dU = dQ – dW
In dieser Gleichung ist dW gleich dW = pdV und ist bekannt als die Grenz Arbeit . Dann:
dU = dQ – pdV
Beim isochoren Prozess und beim idealen Gas wird die gesamte dem System zugeführte Wärme zur Erhöhung der inneren Energie verwendet.
Isochorischer Prozess (pdV = 0):
dU = dQ (für ideales Gas)
dU = 0 = Q – W → W = Q (für ideales Gas)
Isochorischer Prozess des idealen Gases
Der isochore Prozess kann mit dem idealen Gasgesetz ausgedrückt werden als:
oder
In einem pV-Diagramm erfolgt der Prozess entlang einer horizontalen Linie mit der Gleichung V = konstant.
Siehe auch: Guy-Lussacs Gesetz
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