Teoria termodynamiczna zmiennych prędkości cząsteczek gazu.
Założeniem teorii termodynamicznej zmiennych prędkości cząsteczek gazu jest zobrazowanie „mechanizmu”, który pozwala zrozumieć i wytłumaczyć zamianę energii termicznej na energię mechaniczną za pośrednictwem urządzeń termodynamicznych, jak również pozwala stworzyć precyzyjny obraz zależności termodynamicznych.
Poniższe rysunki przedstawiają zachowanie się cząsteczek gazu w przykładzie silnika tłokowego w fazie rozprężania kiedy to poprzez “ucieczkę” tłoka względem nieruchomej głowicy, następuje wytracanie prędkości drgania cząsteczek gazu, dając w efekcie schładzanie gazu, a w bilansie energetycznym zamianę energii cieplnej (drgających cząsteczek) na energię mechaniczną przenoszoną poprzez przesuwny tłok i korbowód na wał silnika.
Poniższe rysunki przedstawiają zachowanie się cząsteczek gazu w przykładzie silnika tłokowego w fazie sprężania kiedy to poprzez zbliżanie się tłoka względem nieruchomej głowicy, następuje przyrost prędkości drgania cząsteczek gazu, dając w efekcie podgrzewanie gazu, a w bilansie energetycznym zamianę energii mechanicznej dostarczanej z wału silnika poprzez korbowód na przesuwny tłok, na energię cieplną (drgających cząsteczek gazu).
Poniżej prezentuję przykład wyliczeń przyrostu temperatur (prędkości drgania cząsteczek gazu) dla silników tłokowych w których zastosowano:
1. Skok tłoka = 100 mm
2. Długość korbowodu = 125 mm
3. Prędkość obrotowa = 1.200 obr./min.
4. Stopnie sprężania = 1:11, 1:21, 1:41
5. Ciśnienie przy DMP = 1bar.
6. Prędkość drgania cząsteczek gazu przy DMP = 340m/s
Aby w pełni zobrazować zachowanie się cząsteczek gazu przyjęto 1 cząsteczkę gazu poruszającą się wyłącznie pionowo w górę i w dół (w rzeczywistości w cylindrze silnika znajduje się ogromna ilość cząsteczek gazu drgających we wszelkich możliwych kierunkach, nie mniej zawarty tu przykład na jednej cząsteczce gazu, pozwoli logicznie i w prosty sposób wykazać słuszność niniejszej teorii).
Przy prędkości obrotowej 1.200 obr./min. otrzymujemy prędkość obrotową 20 obr./s. Przy takiej prędkości obrotowej w czasie 1 sekundy tłok 20-to krotnie pokona drogę DMP-GMP-DMP, czyli 20 x 200 mm, czyli średnia prędkość tłoka to 4m/s.
W tym przypadku 1 suw sprężania trwa 1/40 sekundy, a w tym czasie drgająca hipotetyczna cząsteczka gazu z prędkością 340m/s przemierzy odległość 8,5 m, pozwala to wyliczyć, iż dla stopnia sprężania 1:11, skoku tłoka 100 mm, odległość denka tłoka od głowicy przy DMP to 110 mm, a to z kolei pozwala wyliczyć, iż w przypadku położenia tłoka przy DMP, hipotetyczna cząsteczka gazu jest w stanie w czasie 1/40 sekundy przemierzyć odległość tłok-głowica około 77 razy i za każdym uderzeniem w przesuwające się denko tłoka zmienia swoją prędkość o prędkość z jaką w danym momencie przesuwa się tłok, i jest to przyrost prędkości w przypadku sprężania, lub utrata prędkości w przypadku rozprężania. W przypadku GMP tłoka cząsteczka gazu drgająca z prędkością 340 m/s w czasie 1/40 sekundy jest w stanie przemierzyć odległość 10 mm (odległość tłok-głowica przy GMP tłoka) 850 razy. Aby stosunkowo dokładnie wyliczyć przyrost prędkości „hipotetycznej” cząsteczki gazu podczas suwu sprężania, posłużyłem się przykładem z wykorzystaniem arkusza kalkulacyjnego, gdzie dokonałem pomiarów co 5O obrotu wału korbowego od DMP do GMP tłoka. W przykładzie tym w punktach pomiarowych uwzględniana jest zmienna odległość tłok-głowica, oraz zwiększająca się wraz ze zbliżaniem się tłoka do głowicy prędkość drgania cząsteczek. Oczywiście poniższy przykład jest schematycznym opisem tej teorii, i nie obejmuje przykładowo strat energii cieplnej (drgań cząsteczek) wypromieniowanej do: ścianek tulei cylindra, denka tłoka i głowicy z zaworami. Bardzo istotnym dla zrozumienia tej teorii jest przyjęcie, iż teoretyczne założenie rozpatrujące zachowanie się cząsteczek gazu pod postacią jednej cząsteczki poruszającej się pionowo w górę i w dół, odzwierciedla poprawnie przyrost prędkości drgania cząsteczek gazu na skutek przesuwającego się w kierunku głowicy tłoka. Aby nabrać przekonania, że to założenie jest słuszne, proszę sobie wyobrazić, iż w przedstawionym tu przykładzie denko tłoka ma powierzchnię 100 cm2 co odpowiada 1.000 cm3 pojemności skokowej i 1.100 cm3 objętości cylindra przy DMP tłoka. Ilość cząsteczek gazu w tej objętości przy ciśnieniu 1 bar to około 3×1022, natomiast odległości pomiędzy drgającymi cząsteczkami gazu to około 2,1×10-7 m. Proszę sobie wyobrazić, że cząsteczki gazu są idealnie poukładane i „odbijają” się od siebie wyłącznie w relacji pionowej, przy czym „czołowe” cząsteczki na górze odbijają się od głowicy, natomiast „czołowe” cząsteczki na dole odbijają się od denka tłoka. W takiej relacji dla rzeczywistych wymiarów „czołowe” cząsteczki odbijające się od denka tłoka w czasie 1/40 sekundy dla prędkości drgania cząsteczek 340 m/s, odbiją się od tłoka i kolejnej „warstwy” cząsteczek około 40.476.190 razy i w przypadku ruchu tłoka w kierunku głowicy, będą one przyśpieszane o prędkość tłoka i przyrost tej energii będzie „równomiernie” przekazywany (poprzez energię swoich drgań) wszystkim cząsteczkom znajdującym się we wnętrzu cylindra. Tak więc przyjęcie, że we wnętrzu cylindra znajduje się jedna hipotetyczna cząsteczka poruszająca się wyłącznie pionowo w górę i w dół, w pełni odzwierciedla zachowanie się cząsteczek gazu pod względem zmiany prędkości ich drgań (przyrostu lub spadku) w zależności czy mamy do czynienia ze sprężaniem czy z rozprężaniem. W tym miejscu należy podkreślić, iż analogicznie odwrotny proces do sprężania zachodzi podczas suwu pracy (rozprężania) kiedy to oddalający się od głowicy tłok zamienia energię drgania cząsteczek gazu na energię mechaniczną przekazywaną na wał silnika.
Jeżeli słuszność powyższego przykładu z jedną hipotetyczną cząsteczką budzi Twoje wątpliwości, to wyobraź sobie, że przedstawiony silnik umieszczony jest w komorze z idealną próżnią a we wnętrzu cylindra umieszczona jest tylko jedna cząsteczka gazu odbijająca się pionowo od idealnie płaskiego i idealnie wypoziomowanego denka tłoka, oraz od idealnie płaskiej i idealnie wypoziomowanej wewnętrznej powierzchni głowicy, przy czym poniższe rysunki obrazują, że przyrost prędkości drgania cząsteczek jest taki sam dla jednej cząsteczki jak dla większej ilości rozpatrywanych cząsteczek.
Istotnym dla poprawnego zrozumienia tej teorii jest rozpatrywanie niniejszych przykładów z założeniem, że mamy do czynienie z układem idealnie szczelnym i idealnie termoizolacyjnym, w którym zakładamy idealną “sprężystość” denka tłoka i głowicy.
Poniższa tabela przedstawia przykład przyrostu prędkości drgania cząsteczek gazu w czasie suwu sprężania dla silnika tłokowego o stopniu sprężania 1:11
Jak widać z powyższej tabeli przy DMP tłoka prędkość drgania hipotetycznej cząsteczki gazu wynosi 340 m/s, natomiast w kolejnych punktach pomiarowych na skutek prędkości tłoka prędkość ta wzrasta aby przy GMP tłoka osiągnąć wartość 1.163 m/s. (Należy tutaj zaznaczyć, iż w powyższej tabeli przy DMP tłoka w rubryce „prędkość tłoka” widnieje wartość „0”, natomiast przy GMP tłoka w rubryce „prędkość tłoka” widnieje wartość większa od „0”, gdyż wartość przy DMP to wartość początkowa, natomiast wartość przy GMP to średnia prędkość z jaką tłok pokonuje dystans od punktu pomiarowego „175O” do GMP tłoka).
Poniższa tabela przedstawia przykład przyrostu prędkości drgania cząsteczek gazu w czasie suwu sprężania dla silnika tłokowego o stopniu sprężania 1:21
Jak widać z powyższej tabeli przy DMP tłoka prędkość drgania hipotetycznej cząsteczki gazu wynosi 340 m/s, natomiast w kolejnych punktach pomiarowych na skutek prędkości tłoka prędkość ta wzrasta aby przy GMP tłoka osiągnąć wartość 1.645 m/s. (Należy tutaj zaznaczyć, iż w powyższej tabeli przy DMP tłoka w rubryce „prędkość tłoka” widnieje wartość „0”, natomiast przy GMP tłoka w rubryce „prędkość tłoka” widnieje wartość większa od „0”, gdyż wartość przy DMP to wartość początkowa, natomiast wartość przy GMP to średnia prędkość z jaką tłok pokonuje dystans od punktu pomiarowego „175O” do GMP tłoka).
Poniższa tabela przedstawia przykład przyrostu prędkości drgania cząsteczek gazu w czasie suwu sprężania dla hipotetycznego silnika tłokowego o stopniu sprężania 1:41
Jak widać z powyższej tabeli przy DMP tłoka prędkość drgania hipotetycznej cząsteczki gazu wynosi 340 m/s, natomiast w kolejnych punktach pomiarowych na skutek prędkości tłoka prędkość ta wzrasta aby przy GMP tłoka osiągnąć wartość 2.380 m/s. (Należy tutaj zaznaczyć, iż w powyższej tabeli przy DMP tłoka w rubryce „prędkość tłoka” widnieje wartość „0”, natomiast przy GMP tłoka w rubryce „prędkość tłoka” widnieje wartość większa od „0”, gdyż wartość przy DMP to wartość początkowa, natomiast wartość przy GMP to średnia prędkość z jaką tłok pokonuje dystans od punktu pomiarowego „175O” do GMP tłoka).
Obliczenia w powyższych rubrykach zostały wykonane w sposób następujący:
Przykład dla wiersza z punktu pomiarowego 15O:
V = Prędkość cząsteczki z wiersza poprzedzającego (10O)
L = Odległość tłok-głowica z wiersza 15O.
V2 = Średnia prędkość tłoka z położeń dla punktów pomiarowych 10O -15O.
T = (Dla prędkości obrotowej silnika 1.200 obr./min. wyliczono, iż) czas przemieszczenia się tłoka pomiędzy sąsiadującymi punktami pomiarowymi trwa 1/1440 sekundy.
Prędkość drgania cząsteczki w wierszu 15O liczy się w sposób następujący:
((((V/(L/1000))*T)/2)*V2)+V
Jeżeli teraz przyjmiemy, że nasz powyższy silnik jest idealnie szczelny i idealnie termoizolacyjny a przy DMP tłoka wewnątrz cylindra panuje ciśnienie 1 bara, to na przykładzie pierwszego silnika o stopniu sprężania 1:11 po maksymalnym sprężeniu gazów otrzymamy: 11-krotne „zagęszczenie” cząsteczek gazów i jeżeli hipotetycznie przyjmiemy, że cząsteczki tego gazu nie zwiększają swojej prędkości mając tą samą prędkość przy DMP i GMP równą 340 m/s, to przy GMP tłoka cząsteczki gazu będą uderzały o denko tłoka 11-krotnie częściej w tej samej jednostce czasu, dając 11-krotne zwiększenie ciśnienia. Natomiast jeżeli uwzględnimy, że wskutek ruchu tłoka cząsteczki gazu są w tym przykładzie przyśpieszane 3,42 razy, to czy faktycznie 3,42 razy zwiększy się prędkość cząsteczek gazu w cylindrze? Otóż nie, tak jak pisałem wcześniej w rzeczywistości w cylindrze silnika znajduje się ogromna ilość cząsteczek gazu drgających we wszelkich możliwych kierunkach, tak więc należy rozważyć zachowanie się cząsteczek gazu drgających w innych kierunkach, a nie tylko w relacji pionowej góra-dół. W tym celu proszę sobie wyobrazić, że nasz hipotetyczny przykład ruchu cząsteczek przedstawiony jest w przykładzie 3D, który uwzględnia zasadnicze wektory ruchu cząsteczek gazu w następujących kierunkach: pionowy na płaszczyźnie „X”, poziomy na płaszczyźnie „Y” i poziomy na płaszczyźnie „Z” (rysunek poniżej). Z tego przykładu wynika, iż statystycznie tylko 1/3 cząsteczek gazu będzie podlegała zasadzie zmiany prędkości cząsteczek gazu wynikających z ruchu tłoka (te które oddziałują w relacji pionowej), natomiast 2/3 cząsteczek gazu, które oddziałują w relacji poziomej, statystycznie nie będzie podlegała zmianie prędkości.
Dlatego dla poprawnego wyliczenia średniej prędkości cząsteczek gazów na przykładzie silnika o stopniu sprężania 1:11, należy zastosować: (340m/s + 340m/s + (340m/s * 3,42)) / 3 co daje nam wynik około: 614 m/s natomiast dla określenia wielkości przyrostu ciśnienia należy zastosować (z uwzględnieniem E=mv2) wzór dla GMP tłoka: 11 * (614m/s / 340m/s)2 , czyli około – 35,9 bara.
Na przykładzie silnika o stopniu sprężania 1:21, należy zastosować:
(340m/s + 340m/s + (340m/s * 4,84)) / 3 co daje nam wynik około: 775 m/s natomiast dla określenia wielkości przyrostu ciśnienia należy zastosować (z uwzględnieniem E=mv2) wzór dla GMP tłoka: 21 * (775m/s / 340m/s)2 , czyli około – 109 bara.
Na przykładzie hipotetycznego silnika o stopniu sprężania 1:41, należy zastosować:
(340m/s + 340m/s + (340m/s * 7)) / 3 co daje nam wynik około: 1.020 m/s natomiast dla określenia wielkości przyrostu ciśnienia należy zastosować (z uwzględnieniem E=mv2) wzór dla GMP tłoka: 41 * (1.020m/s / 340m/s)2 , czyli około – 369 bara.
Oczywiście rozpatrujemy układ idealnie szczelny i idealnie termoizolacyjny, w rzeczywistości ilość energii cieplnej tego gazu (energia drgających cząsteczek), jest (z pominięciem przedmuchów na pierścieniach tłokowych) w dużym stopniu przekazywana do ścianek tulei cylindra, denka tłoka i głowicy (zwłaszcza przy niskich prędkościach obrotowych silnika), co w efekcie znacząco schładza gaz, którego cząsteczki nie osiągną poziomu „wysokich energii” (nie mylić z wysokimi energiami cząsteczek uzyskiwanych w akceleratorach cząstek), dając na przykładzie rozruchu silnika o stopniu sprężania 1:11, kilkanaście barów ciśnienia przy GMP o stosunkowo niewysokiej temperaturze.
Proszę zwrócić uwagę na fakt, iż w hipotetycznym idealnie szczelnym i idealnie termoizolacyjnym układzie tłokowym, na przyrost prędkości drgania cząsteczki nie ma wpływu prędkość obrotowa silnika a jedynie zastosowany stopień sprężania. Dla przykładu proszę rozważyć dla porównania taki sam układ tłokowy o dwukrotnie większej prędkości obrotowej (2.400 obr./min.), choć w tym przypadku średnia prędkość tłoka jest dwukrotnie większa i wynosi 8 m/s, to jednak czas trwania suwu sprężania jest dwukrotnie krótszy i trwa 1/80 sekundy, co reasumując pozwala wyliczyć, iż przyrost prędkości drgających cząsteczek gazu jest taki sam dla prędkości 1.200 obr./min. jak i dla prędkości 2.400 obr./min.
Do zobrazowania powyższej teorii posłużono się przykładem silnika tłokowego, nie mniej do rewolucyjnego wykorzystania i bezpośredniej zamiany ciepła (energii drgających cząsteczek gazu) na pracę mechaniczną, może posłużyć turbina gazowa o cechach pompy ciepła według zgłoszenia patentowego nr P-410894 mojego autorstwa, która to turbina może pracować w ogromnej konfiguracji różnych typów zasilania (wszelkie paliwa wytwarzające ciepło), jak również może bez konieczności jakiegokolwiek spalania zamieniać ciepło gazu (np. powietrza) na energię mechaniczną.