Ανάπτυξη και μελέτη θερμοδυναμικών κύκλων θερμικών μηχανών με προσομοιώσεις μέσω εικονικού εργαστηρίου θερμοδυναμικής

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ Ανάπτυξη και μελέτη θερμοδυναμικών κύκλων θερμικών μηχανών με προσομοιώσεις μέσω εικονικού εργαστηρίου θερμοδυναμικής ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του σπουδαστή ΣΑΡΙΑΝΝΑΚΗ ΙΩΑΝΝΗ Επιβλέπων καθηγητής Δρ Σωκράτης Τουμπεκτσής Καβάλα, Μάρτιος 2012

2 2

3 TECNOLOGICAL EDUCATIONAL INSTITUTE OF KAVALA FACULTY OF TECHNOLOGICAL APPLICATIONS DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING DEVELOPMENT AND STUDY OF THERMODYNAMIC CYCLES THERMAL ENGINES WITH VIRTUAL LAB SIMULATIONS THERMODYNAMICS THESIS of student SARIANNAKI IOANNI Supervisor professor Dr. Socrates Toumpektsis Kavala, March

4 4

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ- PROLOGUE ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ορισμός μηχανής εσωτερικής καύσης Ορισμός μηχανής εξωτερικής καύσης Γενικά για το λογισμικό "ΣΕΠ, Σύνθετο εργαστηριακό περιβάλλον"...15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Θερμικές μηχανές - Προσομοίωση Το εικονικό εργαστήριο της Θερμοδυναμικής.20 Καταστατικές εξισώσεις...20 Ιδανικό αέριο Πραγματικό αέριο Ο 1 ος νόμος της Θερμοδυναμικής..23 Κυκλικές μεταβολές..23 Θερμοδυναμική (εφαρμογές του προγράμματος) Ισόθερμη μεταβολή Ισόχωρη μεταβολή...26 Ισοβαρής μεταβολή

6 Αδιαβατική μεταβολή ΚΕΦΑΛΑΙΟ Το Λογισμικό Συνοπτική περιγραφή του λογισμικού...32 Τα εικονικά εργαστήρια Το εικονικό εργαστήριο της θερμοδυναμικής Το εικονικό εργαστήριο της θερμότητας Το πολυμεσικό υλικό Η φύση του λογισμικού 34 α. Προσεγγίσεις "ολιστικού" τύπου β. Προσεγγίσεις "μερικού" τύπου ή "εστιασμένες"προσεγγίσεις.. 35 Η πρόταση της επιστημονικής ομάδας.36 Γιατί εικονικά εργαστήρια και προσομοιώσεις; 37 Οι προσομοιώσεις φυσικών φαινομένων.37 Το περιβάλλον διεπαφής του χρήστη Η λειτουργική συνέπεια των προσομοιώσεων...39 Προσομοιώσεις κλειστού τύπου...39 Παραμετρικές προσομοιώσεις...40 Εικονικά εργαστήρια ανοιχτού τύπου - Μικρόκοσμοι Γιατί γραφικές παραστάσεις;.41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Θερμικός κύκλος Otto

7 Τετράχρονος βενζινοκινητήρας Otto ος χρόνος (0-1). Εισαγωγή ος χρόνος (1-2). Συμπίεση μείγματος ος χρόνος (2-3-4). Ανάφλεξη- Εκτόνωση 45 4 ος χρόνος (4-1-0). Εξαγωγή καυσαερίου 47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Θερμικός κύκλος Diesel Τετράχρονος πετρελαιοκινητήρας (Diesel) ος χρόνος (0-1). Αναρρόφηση αέρα.52 2 ος χρόνος (1-2). Συμπίεση αέρα ος χρόνος (2-3-4). Ανάφλεξη καύση εκτόνωση ος χρόνος (4-1). Εξαγωγή καυσαερίου ΚΕΦΑΛΑΙΟ Σχεδιασμός και υλοποίηση των εργαστηριακών πειραμάτων προσομοίωσης..57 Α. Σχεδιασμός και υλοποίηση θερμικού κύκλου Otto.. 57 Β. Σχεδιασμός και υλοποίηση θερμικού κύκλου Diesel.. 58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Φύλλα εργασίας Otto και Diesel Πείραμα OTTO Πείραμα DIESEL 72 7

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Συμπεράσματα.. 84 ΠΕΡΙΛΗΨΗ - SUMMARY...86 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Φύλλα εργασίας κύκλου Otto. 87 Φύλλα εργασίας κύκλου Diesel.. 97 ΑΝΑΦΟΡΕΣ - ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

9 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Οι μηχανές εσωτερικής καύσης βρίσκουν μια ευρεία ποικιλία εφαρμογών, όπως για την παραγωγή ωφέλιμου έργου, ηλεκτρικής ενέργειας, για τη μετακίνηση ανθρώπων και αντικειμένων, στην βιομηχανία καθώς η χρήση τους μπορεί να αντικαταστήσει πολλές φορές και το ανθρώπινο δυναμικό. Η μελέτη των θερμοδυναμικών κύκλων των θερμικών μηχανών και η επεξεργασία των αποτελεσμάτων που προκύπτει από τη μελέτη αυτή μπορεί να γίνει με πολλούς και διαφορετικούς τρόπους Σκοπός της πτυχιακής εργασίας είναι η μελέτη των θερμοδυναμικών κύκλων των θερμικών μηχανών εσωτερικής καύσεως (Μ.Ε.Κ.) με τη χρήση ενός ολοκληρωμένου εργαστηριακού περιβάλλοντος προσομοίωσης μέσω της λειτουργίας εικονικού εργαστηρίου. Πιο συγκεκριμένα μελετήθηκαν οι θερμοδυναμικοί κύκλοι Otto και Diesel. Προς το σκοπό αυτό, δημιουργήθηκαν τα κατάλληλα φύλλα εργασίας που καθοδηγούν βήμα προς βήμα τον/την φοιτητή/φοιτήτρια στην εκτέλεση του εικονικού πειράματος προσομοίωσης, το σχεδιασμό των θερμοδυναμικών κύκλων, τη μελέτη όλων των παραμέτρων που οδηγούν στον υπολογισμό του συντελεστή απόδοσης της θερμικής μηχανής καθώς και τον υπολογισμό του. Τέλος, μέσω ανατροφοδότησης από θεωρητικά δεδομένα και με τη διαδικασία της «περαιτέρω εμβάθυνσης», οι φοιτητές/φοιτήτριες παροτρύνονται και «κατασκευάζουν» το δικό του θερμικό κύκλο μηχανής εσωτερικής καύσης που τον συγκρίνουν με αυτό του Otto και Diesel. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή κύριο Τουμπεκτσή Σωκράτη για την πολύτιμη βοήθειά του για την υλοποίηση της εργασίας αυτής αλλά και όλους τους καθηγητές του τμήματος οι οποίοι ήταν δίπλα μου κάθε φορά που χρειάστηκα τη βοήθειά τους. 9

10 10

11 PROLOGUE The internal combustion engines find a wide variety of applications including the production of useful work, electricity, to move people and goods, in industry as their use can often replace the human potential. The study of thermodynamic cycles of thermal engines and processing the results obtained from this study can be done in many different ways. The aim of the thesis is to study the thermodynamic cycles of thermal internal combustion engines (M.E.K.) using an integrated laboratory environment simulation through virtual laboratory. More specifically studied the thermodynamic cycles of Otto and Diesel. To this end, created the appropriate worksheets step by step guide him / her student performance in the virtual simulation experiment, design of thermodynamic cycles, study all the parameters that lead to the calculation of the coefficient of thermal efficiency and engine and computation. Finally, through feedback from theoretical data and the process of "further deepening" students are encouraged and 'construct' their own thermal cycle internal combustion engine to compare it with that of Otto and Diesel. At this point I would like to thank the principal supervisor Toumpektsi Socrates for his valuable help for the realization of this work and all the faculty who were next to me whenever I needed their help. 11

12 12

13 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μηχανή εσωτερικής καύσης Μια μηχανή εσωτερικής καύσης ή κινητήρας εσωτερικής καύσης είναι κινητήρας στον οποίο η καύση του καυσίμου γίνεται σε θάλαμο καύσης που βρίσκεται ολόκληρος μέσα στον κινητήρα. Με τον όρο μηχανές εσωτερικής καύσης συνήθως εννοούνται κυρίως οι παλινδρομικές εμβολοφόρες μηχανές και οι κινητήρες Βάνκελ (Wankel). Μια δεύτερη κατηγορία των κινητήρων εσωτερικής καύσης είναι οι κινητήρες τζέτ, κάποιοι πύραυλοι και ορισμένες τουρμπίνες ώσης και ισχύος που κάνουν χρήση συνεχούς καύσης. 13

14 Εικόνα 1: Θερμική μηχανή εσωτερικής καύσεως Σύμφωνα με ένα γενικό ορισμό, ο κινητήρας εσωτερικής καύσης είναι μια θερμική μηχανή, στην οποία καίγεται ένα καύσιμο παρουσία αέρα μέσα σε ένα θάλαμο (θάλαμος καύσης) και από την εξώθερμη αντίδραση του καυσίμου με τον οξειδωτή (θερμική καύση ελεύθερης φλόγας σε αέρια κατάσταση), που είναι το οξυγόνο του αέρα, δημιουργώντας θερμά αέρια. Στον κινητήρα εσωτερικής καύσης η εκτόνωση της πίεσης των αερίων που παράγονται ασκεί δύναμη στο κινητό μέρος του κινητήρα, όπως στα έμβολα ή στα πτερύγια. Μηχανή εξωτερικής καύσης Η μηχανή εσωτερικής καύσης (ή ΜΕΚ) διαφοροποιείται με την μηχανή εξωτερικής καύσης, όπως με ατμό ή κινητήρα Stirling, στις οποίες η ενέργεια μεταφέρεται από ένα υγρό το οποίο θερμαίνεται σε ένα λέβητα (ο οποίος βρίσκεται εκτός του κινητήρα) από ορυκτά καύσιμα ή καύση ξύλου, πυρηνική ενέργεια, ηλιακή κ.λπ. 14

15 Εικόνα 2: Θερμική μηχανή εξωτερικής καύσεως Ένας μεγάλος αριθμός διαφορετικών σχεδίων για τις ΜΕΚ έχουν αναπτυχθεί και κατασκευαστεί, με ποικιλία διαφορετικών πλεονεκτημάτων και αδυναμιών. Αν και υπήρξαν και εξακολουθούν να είναι πολλές οι στατικές εφαρμογές, μεγάλη χρήση των κινητήρων εσωτερικής καύσης είναι σε κινητές εφαρμογές και κυριαρχούν στα αυτοκίνητα, αεροσκάφη και πλοία, από το μικρότερο έως το μεγαλύτερο. Γενικά για το λογισμικό «ΣΕΠ, Σύνθετο Εργαστηριακό Περιβάλλον» Το εκπαιδευτικό λογισμικό ΣΕΠ: Σύνθετο Εργαστηριακό Περιβάλλον, είναι το προϊόν της συνεργασίας μιας πολυάριθμης ομάδας ειδικών επιστημόνων από τους χώρους των Φυσικών Επιστημών, της Πληροφορικής και της Διδακτικής των Φυσικών Επιστημών. Συγκεκριμένα οι φορείς που συνεργάστηκαν για τη σχεδίαση, την υλοποίηση και τη διδακτική αξιοποίηση του λογισμικού είναι: το Παιδαγωγικό Τμήμα Δημοτικής Εκπαίδευσης του Α.Π.Θ. το Τμήμα Φυσικής του Α.Π.Θ. το Τμήμα Πληροφορικής του Α.Π.Θ. η Εταιρεία παραγωγής λογισμικού LaserLock. 15

16 Το λογισμικό "ΣΕΠ : Σύνθετο Εργαστηριακό Περιβάλλον" αποτελείται από δυο ανοιχτά εικονικά εργαστήρια, το "Εργαστήριο Θερμότητας" και το "Εργαστήριο Θερμοδυναμικής". Παράλληλα, με τα εργαστήρια αυτά, προσφέρεται μια επιλεγμένη σειρά θεμάτων πολυμέσων, που άπτονται της τεχνολογίας και των καθημερινών εφαρμογών. Η σχεδίαση ενός ολοκληρωμένου εικονικού εργαστηρίου με αντικείμενο τη Θερμότητα και τη Θερμοδυναμική, είναι ένα φιλόδοξο και πρωτότυπο έργο σε παγκόσμια κλίμακα. Το κύριο χαρακτηριστικό του είναι η μαθηματική μηχανή που το συνοδεύει, η οποία διαχειρίζεται στο σύνολό του και με υψηλό βαθμό επιστημονικής ακρίβειας, το σύνθετο πρόβλημα των θερμικών ανταλλαγών. Με τον τρόπο αυτό, ο εκπαιδευτικός ή ο φοιτητής βρίσκεται μπροστά σε ένα ολοκληρωμένο μικρόκοσμο θερμικών φαινομένων, μέσω του οποίου μπορεί να πειραματίζεται υπό συνθήκες που ανταποκρίνονται επακριβώς στην σύσταση του Φυσικού φαινομένου. Λόγω του θέματος, αλλά κυρίως εξ αιτίας της ακρίβειας που παρουσιάζει, το λογισμικό ΣΕΠ μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο στην ανώτατη εκπαίδευση όσο στο Λύκειο και στο Γυμνάσιο, παρέχοντας στον εκπαιδευτικό την ευχέρεια να καθορίσει ο ίδιος την πολυπλοκότητα είτε των φαινομένων τα οποία θα μελετήσουν οι φοιτητές, είτε των πειραμάτων που θα εκτελέσουν. Το λογισμικό "ΣΕΠ" αναπτύχθηκε στο πλαίσιο του προγράμματος του Υπουργείου Παιδείας "ΝΑΥΣΙΚΑ" και χρηματοδοτήθηκε από το Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Εκπαίδευσης και Αρχικής Επαγγελματικής Κατάρτισης (ΕΠΕΑΕΚ), μετά από την επιτυχή συμμετοχή του σε σχετικό διαγωνισμό. Μετά τη σχεδίαση του και κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης του λογισμικού πραγματοποιούνταν διαρκής προ-αξιολόγησή του από το ΙΤΥ, τον φορέα υλοποίησης του έργου ΝΑΥΣΙΚΑ, αλλά και από έμπειρους εκπαιδευτικούς του κλάδου ΠΕ3 - ΠΕ4. Οι παρατηρήσεις και οι υποδείξεις τους βοήθησαν σημαντικά την επιστημονική ομάδα στη βελτίωση της οργάνωσης του προγράμματος. Στη συνέχεια, το λογισμικό πρόκειται να αξιολογηθεί σε συνθήκες πανεπιστημίου και σχολείου, και συγκεκριμένα σε επιλεγμένες μονάδες που διαθέτουν την κατάλληλη υποδομή. 16

17 17

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Θερμικές μηχανές Ιστορικά η επιστήμη της Θερμοδυναμικής θεμελιώθηκε το 19 ο αιώνα με τη μελέτη των θερμομηχανικών φαινομένων που σχετίζονταν με τις ατμομηχανές, που ως πρώτες θερμικές μηχανές «άνοιξαν το δρόμο για τις άλλες», κυριολεκτικά και μεταφορικά. Στη πορεία εξέλιξής της η θερμοδυναμική έχει διευρυνθεί σε Γενική Ενεργειακή Θεωρία των καταστάσεων ισορροπίας φυσικών συστημάτων, με θεωρητικές διερευνήσεις και πρακτικές εφαρμογές εκτεινόμενες σε ευρύτατο φάσμα, όπως: θερμικές μηχανές, ψυκτικές μηχανές, εργαλειομηχανές, φυσικοχημεία, μελέτη φαινομένων διαφόρων Γεωεπιστημών, μελέτη βιολογικών φαινομένων κ.α. 18

19 Η μετατροπή της θερμότητας σε μηχανική ενέργεια με την μορφή έργου περιστρεφόμενης ατράκτου, για συντομία θερμομηχανική μετατροπή, αποτελεί τη χρησιμότερη ενεργειακή μετατροπή και ταυτόχρονα το σημαντικότερο γνωστικό πεδίο της κλασσικής Θερμοδυναμικής, λόγω: (α) της μεγάλης απαίτησης του τεχνολογικού πολιτισμού μας σε μηχανική ενέργεια, και (β) της σχεδόν ολοκληρωτικής διάθεσης της πρωτογενούς ενέργειας ως θερμικής, όπως ήδη αναφέρθηκε. Οι επιστήμες της θερμοδυναμικής, της Μετάδοσης Θερμότητας και της Ρευστομηχανικής διαδραματίζουν σπουδαίο ρόλο στην κατανόηση της σχεδίασης και της λειτουργίας Θερμικών Μηχανών (ΘΜ), η μελέτη των οποίων θα έπρεπε ιδανικά να θεμελιώνεται στην ταυτόχρονη προσέγγιση των από τις τρείς παραπάνω επιστήμες. Η Θερμοδυναμική μελετά μόνο τα αέρια, ειδικότερα τις συνθήκες και τις προϋποθέσεις πραγματοποίησης διάφορων μεταβολών τους που σχετίζονται άμεσα με την ανάλυση της λειτουργίας των ΘΜ. Η Θερμοδυναμική σχετίζεται με τις Μηχανές Εσωτερικής Καύσης (Μ.Ε.Κ.), όπου η παραλαβή θερμότητας γίνεται από τον αέρα ως εργαζόμενο αέριο, αφού το περιεχόμενο οξυγόνο του χρησιμεύει για την καύση και την έκλυση θερμότητας του προσαγόμενου καυσίμου στη ΜΕΚ. Οι ΘΜ τύπου ΜΕΚ αντιδιαστέλλονται μεθοδολογικά και λειτουργικά από τις μηχανές εξωτερικής καύσης, όπου η παραλαβή θερμότητας από το εργαζόμενο αέριο γίνεται έμμεσα μέσω αγώγιμων τοιχωμάτων από εξωτερική πηγή θερμότητας, π.χ. εστία καύσης, θερμοπυρηνική ενέργεια, ηλιακή ενέργεια κ.α. Ειδικότερα, παρουσιάζεται μια εκλεκτική ανάλυση και εμβάθυνση μεμονωμένων τυπικών γνωστικών περιοχών της Θερμοδυναμικής με άμεσες αναφορές για την εφαρμογή τους σε ΜΕΚ, που αποσκοπεί: στη θερμοδυναμική ανάλυση, διερευνώντας πώς η υποβολή ενός αερίου σε κυκλικές μεταβολές μπορεί να αξιοποιηθεί για την επιτυχή μετατροπή μέρους της προσφερόμενης θερμότητας σε μηχανικό έργο, με υλοποίηση μιας θερμικής μηχανής στη μελέτη μερικών λειτουργικών, σχεδιαστικών και κατασκευαστικών ζητημάτων πρακτικής υλοποίησης μιας αξιόπιστης και αποδοτικής ΜΕΚ, και 19

20 στη μελέτη των εργομηχανών, όπου διερευνώνται οι τρόποι και οι συνθήκες παραλαβής έργου από αέρια. Το εικονικό εργαστήριο Θερμοδυναμικής Καταστατικές Εξισώσεις Ο όγκος V που καταλαμβάνει κάποιο σώμα, μάζας m, εξαρτάται από την πίεση P κάτω από την οποία βρίσκεται και από τη θερμοκρασία του T. Για κάθε σώμα υπάρχει μία σχέση που συνδέει αυτά τα μεγέθη, η οποία ονομάζεται καταστατική εξίσωση και γενικά είναι μία συνάρτηση του τύπου f ( m,v,p,t ) = 0 (1) Η ακριβής μορφή της συνάρτησης αυτής είναι συνήθως πολύπλοκη, αλλά πολλές φορές αρκεί να γνωρίζουμε πώς μεταβάλλεται το ένα μέγεθος συναρτήσει κάποιου άλλου, ενώ τα υπόλοιπα μεγέθη διατηρούνται σταθερά. Η καταστατική εξίσωση αναφέρεται μόνο σε καταστάσεις ισορροπίας. Ιδανικό Αέριο Για αέρια σε χαμηλή πίεση είχαν γίνει αρχικά πολλά πειράματα, τα οποία έδειχναν παρόμοια συμπεριφορά των μεγεθών P, V, T και n (στα αέρια χρησιμοποιούμε αντί της μάζας m τον αριθμό των moles n). Οι παρατηρήσεις έδειξαν ότι τα μεγέθη αυτά μπορούν να εκφραστούν σύμφωνα με την εξίσωση: PV = nrt (2), όπου με R συμβολίζεται η παγκόσμια σταθερά των αερίων, που ισούται με J mole -1 ( o K ) -1. Μπορούμε να ορίσουμε το ιδανικό αέριο ως το αέριο στο οποίο, εξ ορισμού, ο λόγος PV/nT ισούται με R, για όλες τις τιμές πιέσεως. Με άλλα λόγια, το ιδανικό αέριο συμπεριφέρεται σε όλο το εύρος των πιέσεων όπως 20

21 συμπεριφέρεται ένα πραγματικό αέριο στις χαμηλές πιέσεις. Συγκρινόμενα, οι αποκλίσεις στη συμπεριφορά των πραγματικών αερίων δεν είναι πολύ μεγάλες για μικρές ή ενδιάμεσες τιμές πίεσης, αλλά γίνονται σημαντικές όταν η πίεση αυξηθεί πολύ και το αέριο φτάσει κοντά στην υγροποίηση. Σε μικροσκοπικό επίπεδο, το ιδανικό αέριο αποτελείται από μόρια, για τα οποία γίνονται οι εξής παραδοχές: α) Τα μόρια του ιδανικού αερίου συμπεριφέρονται σαν μικρές όμοιες ελαστικές σφαίρες που βρίσκονται σε διαρκή τυχαία κίνηση. Έτσι, κατά τις συγκρούσεις των μορίων με τα τοιχώματα του δοχείου, η κινητική τους ενέργεια δεν μεταβάλλεται. β) Ανάμεσα στα κινούμενα μόρια δεν ασκούνται δυνάμεις, παρά μόνον κατά τη στιγμή που συγκρούονται μεταξύ τους. Μεταξύ δύο συγκρούσεων, η κίνησή τους είναι ευθύγραμμη και ισοταχής. γ) Ο χρόνος που διαρκεί η σύγκρουση δύο μορίων είναι αμελητέος. δ) Το μέγεθος των μορίων, σε σχέση με το μέγεθος του χώρου όπου βρίσκονται, θεωρείται μικρό. Έτσι, ο συνολικός τους όγκος είναι αμελητέος σε σχέση με τον όγκο του δοχείου όπου βρίσκονται. Από την εξίσωση του ιδανικού αερίου (2) προκύπτουν επίσης και οι γνωστοί νόμοι των Boyle, Charles και Gay-Lussac που συνδέουν, αντίστοιχα, τα μεγέθη (P,V), (P,T) και (V,T), όταν το τρίτο από αυτά διατηρείται σταθερό. Έτσι ορίζονται και οι διάφορες μεταβολές που μπορεί να συμβούν στην κατάσταση του αερίου, όταν μεταβάλλουμε κάποιες από τις συνθήκες στις οποίες βρίσκεται και είναι αναλυτικά οι ακόλουθες: α) Ισόθερμη μεταβολή: Όταν η θερμοκρασία T παραμένει σταθερή το γινόμενο PV διατηρείται σταθερό, οπότε η αρχική κατάσταση 1 και η τελική κατάσταση 2 συνδέονται με την εξίσωση P 1 V 1 =P 2 V 2. β) Ισόχωρη μεταβολή: Στη μεταβολή αυτή ο όγκος διατηρείται σταθερός, οπότε ο λόγος P/T διατηρείται κατά τη μεταβολή και επομένως ισχύει P 1 /T 1 =P 2 /T 2. 21

22 γ) Ισοβαρής μεταβολή: Στην περίπτωση αυτή η πίεση δεν μεταβάλλεται κατά τη μετάβαση από τη μία στην άλλη κατάσταση και από την εξίσωση των ιδανικών αερίων συνάγουμε ότι V 1 /T 1 =V 2 /T 2. δ) Αδιαβατική μεταβολή: Αδιαβατική ονομάζεται η μεταβολή κατά την οποία το σύστημα θεωρείται μονωμένο και δεν ανταλλάσσει θερμότητα με το περιβάλλον του. Η μεταβολή αυτή περιγράφεται από την εξίσωση P 1 V γ 1 =P 2 V γ 2, όπου το γ είναι μία σταθερά, διαφορετική για κάθε αέριο. Πραγματικό Αέριο Τα πραγματικά αέρια δεν ικανοποιούν την εξίσωση των ιδανικών αερίων, εκτός από την περίπτωση πολύ χαμηλών πυκνοτήτων ( πιέσεων ). Υπάρχουν πολλές καταστατικές εξισώσεις που προσπαθούν να περιγράψουν τις ιδιότητες των πραγματικών αερίων. Ένα παράδειγμα μιας τέτοιας εξίσωσης, η οποία χρησιμοποιείται συχνά, είναι η εξίσωση Van der Waals: P 2 n a V 2 V nb nrt (3) όπου τα a και b είναι εμπειρικές σταθερές, χαρακτηριστικές για το κάθε αέριο. Η παράμετρος b λαμβάνει υπόψη τον όγκο που καταλαμβάνουν τα μόρια, μειώνοντας το διαθέσιμο όγκο για κάθε μόριο. Η παράμετρος a σχετίζεται με τις ελκτικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων, οι οποίες αγνοούνται στα ιδανικά αέρια. Με άλλα λόγια η εξίσωση (3) μεταβάλλει την πίεση και τον όγκο σε σχέση με την εξίσωση των ιδανικών αερίων, ώστε να αντιμετωπίσει τις παραδοχές β) και δ) που αναφέρθηκαν παραπάνω για τα ιδανικά αέρια. Επίσης, όλες οι εξισώσεις που αναφέρονται σε αντιστρεπτές μεταβολές, όπως περιγράφηκαν παραπάνω, παραμένουν οι ίδιες, αν αντικαταστήσουμε σ αυτές, ανάλογα, την πίεση και τον όγκο. Για παράδειγμα, στο αέριο Van der Waals, η εξίσωση που περιγράφει μία αδιαβατική μεταβολή γίνεται P 2 n a 2 V 1 2 n a 2 V 2 V nb P V nb

23 Ο 1 ος νόμος της θερμοδυναμικής Ο 1 ος νόμος της θερμοδυναμικής είναι μία μορφή της αρχής διατήρησης της ενέργειας. Θεωρούμε ότι κάποιο αέριο βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας μέσα σε ένα δοχείο με έμβολο. Λόγω των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των μορίων του, το σύστημα έχει κάποια ολική ενέργεια U ( τη λεγόμενη εσωτερική ενέργεια ). Αν ζεστάνουμε το αέριο ( δηλ. του αποδώσουμε θερμότητα ΔQ ) τότε το αέριο θα μετακινήσει το έμβολο, δηλ. θα αποδώσει έργο προς το έμβολο, έστω ίσο με ΔW, ενώ ταυτόχρονα θα μεταβάλλει και την εσωτερική του ενέργεια. Η εξωτερική ενέργεια ΔQ που απορρόφησε το σύστημα μετατράπηκε σε έργο ΔW και σε εσωτερική ενέργεια ΔU, οπότε η αρχή διατήρησης της ενέργειας μπορεί να γραφεί και ως ΔQ = ΔU+ΔW (5) που αποτελεί τον πρώτο νόμο. Κυκλικές Μεταβολές Μία μεταβολή αερίου, η οποία ξεκινάει από μία συγκεκριμένη κατάσταση και τερματίζει στην ίδια κατάσταση, λέγεται κυκλική μεταβολή. Τέτοιου είδους μεταβολές μπορούν να πραγματοποιηθούν με χρήση θερμικής μηχανής. Στις κυκλικές μεταβολές, η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας είναι ίση με μηδέν. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι καταλήγουμε στην ίδια κατάσταση, άρα και στην ίδια θερμοκρασία. Επειδή η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας ΔU εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία, αυτό έχει ως αποτέλεσμα να ισχύει ΔU=0, άρα Q=W (1 ος θερμοδυναμικός νόμος). Το εμβαδό που περικλείεται από τις καμπύλες που ορίζουν τη μεταβολή, ισούται με το έργο W της μεταβολής αυτής. Μία ιδιαίτερη περίπτωση κυκλικής μεταβολής είναι ο κύκλος του Carnot, ο οποίος αποδεικνύεται ότι έχει τη μεγαλύτερη δυνατή απόδοση από τις θερμικές μηχανές που μπορούν να κατασκευαστούν. Ο κύκλος αποτελείται από τέσσερα στάδια, τα οποία μπορούμε να περιγράψουμε χρησιμοποιώντας μία ποσότητα ιδανικού αερίου, κλεισμένου σε δοχείο με έμβολο. Όλα τα 23

24 στάδια του κύκλου Carnot θεωρούνται αντιστρεπτά και αναλυτικά είναι τα ακόλουθα: 1. Μία ισόθερμη εκτόνωση, κατά την οποία το αέριο λαμβάνει ένα ποσό θερμότητας Q 1 ίσο με : Q 1 =nrt 1 ln(v 1 /V 2 ), όπου Τ 1 είναι η θερμοκρασία του αερίου και V 1 και V 2 είναι ο αρχικός και τελικός όγκος αντίστοιχα, κατά τη διάρκεια αυτής της μεταβολής. 2. Μία αδιαβατική εκτόνωση, της οποίας το έργο είναι ίσο με: W=nC V (T 2 -T 1 ), όπου Τ 2 η νέα θερμοκρασία στην οποία οδηγήθηκε το σύστημα. 3. Μία ισόθερμη συμπίεση, κατά τη διάρκεια της οποίας έχουμε μεταφορά θερμότητας Q=nRT 2 ln(v 4 /V 3 )<0, αφού V 4 <V Μία αδιαβατική συμπίεση. Στον κύκλο Carnot το συνολικό έργο που έχουμε ώς απόδοση είναι ίσο με W=Q 1 -Q 2, όπου τα ποσά θερμότητας Q 1 και Q 2 αφορούν το ενεργειακό ισοζύγιο του περιβάλλοντος και όχι του αερίου, οπότε και πρέπει να θεωρηθούν θετικά. Με διαδοχικές επαναλήψεις του κύκλου, μπορούμε να έχουμε οποιαδήποτε ποσότητα έργου. Θερμοδυναμική (Εφαρμογές του προγράμματος) Στο εργαστήριο θερμοδυναμικής μπορούν να εκτελεστούν η ισόθερμη, η ισόχωρη, η ισοβαρής και η αδιαβατική μεταβολή, καθώς και όλοι οι δυνατοί συνδυασμοί τους. Με τους συνδυασμούς αυτούς μπορούν να μελετηθούν περισσότερο πολύπλοκα φαινόμενα, όπως για παράδειγμα οι θερμικοί κύκλοι (π.χ. κύκλος Otto, Diesel, Carnot). Παρακάτω περιγράφονται, ενδεικτικά, κάποιες εφαρμογές του προγράμματος : Ισόθερμη μεταβολή Αρχικά εισάγουμε στο δοχείο μας 2 moles αερίου Ηe. Ως αρχικές συνθήκες ορίζουμε θερμοκρασία Τ 1 =293 ο Κ, όγκο V 1 = m 3 και πίεση 24

25 P 1 = N/m 2. Κλειδώνοντας τον όγκο, μπορούμε να ζητήσουμε να γίνει αλλαγή του στα m 3. Έτσι πραγματοποιείται η ισόθερμη μεταβολή, της οποίας μπορούμε να δούμε τη γραφική παράσταση της μεταβολής της πίεσης, συναρτήσει του όγκου. Παρατηρούμε ότι μεταβάλλοντας τον όγκο σε V 2 = m 3, η πίεση παίρνει την τιμή P 2 = N/m 2. Η νέα αυτή τιμή ικανοποιεί τη σχέση P 1 V 1 =P 2 V 2, η οποία σχέση ισχύει πάντα στην ισόθερμη μεταβολή. Εικόνα 3: Ισόθερμη μεταβολή Η γραφική παράσταση που παίρνουμε από την παραπάνω διαδικασία είναι η χαρακτηριστική καμπύλη της ισόθερμης μεταβολής. Στο αριστερό μέρος της οθόνης απεικονίζονται οι μετρητές που μας δείχνουν τη μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας ΔU, τη θερμοκρασία Q που πήρε το σύστημα, καθώς και το έργο W. 25

26 Εικόνα 4: Μετρητής Στο συγκεκριμένο πείραμα η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας ΔU ήταν μηδέν, αφού δεν μεταβλήθηκε η θερμοκρασία του αερίου. Η μεταβολή του έργου W είναι ίση με το ποσό θερμότητας Q που απορρόφησε το αέριο. Αυτό μπορούμε να το διαπιστώσουμε πολύ εύκολα και από τη σχέση ΔQ=ΔU+ΔW, αν θεωρήσουμε το ΔU ίσο με μηδέν. Στη συγκεκριμένη περίπτωση έχουμε ΔQ=ΔW=3.57 KJ. Ισόχωρη μεταβολή Έστω ότι εισάγουμε στο θάλαμο του αερίου για το πείραμα 2 moles αερίου He. Ως αρχικές συνθήκες έστω ότι έχουμε θερμοκρασία Τ 1 =293 ο Κ, όγκο V 1 = m 3 και πίεση P 1 = N/m 2. Για να πετύχουμε την ισόχωρη μεταβολή, κλειδώνουμε τον όγκο και μεταβάλλουμε τη θερμοκρασία, μέχρι την τιμή Τ 2 =500 ο Κ. Οι νέες τιμές που έχουμε τώρα είναι P 2 = N/m 2 και Τ 2 =500 ο Κ. Στην περίπτωση αυτή ισχύει η σχέση P 1 /T 1 =P 2 /T 2 που περιγράφει την ισόχωρη μεταβολή. 26

27 Εικόνα 5: Ισόχωρη μεταβολή Παρατηρούμε ότι ο όγκος είναι σταθερός, ενώ μεταβάλλεται η τιμή της πίεσης. Οι μετρητές, όπως προκύπτουν από το πρόγραμμα, έχουν την παρακάτω μορφή. Εικόνα 6: Μετρητής Εδώ βλέπουμε πως το έργο W είναι ίσο με μηδέν, αφού δεν μετατοπίστηκε καθόλου το έμβολο. Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας είναι ίση με τη θερμότητα Q που απορρόφησε το αέριο, δηλαδή ΔU=ΔQ=0.69 ΚJ για το συγκεκριμένο πείραμα. 27

28 Ισοβαρής μεταβολή Εικόνα 7: Ισοβαρής μεταβολή Έστω ότι εισάγουμε στο θάλαμο 2 moles ιδανικού αερίου He. Ως αρχικές συνθήκες έχουμε θερμοκρασία Τ 1 =293 ο Κ, όγκο V 1 = m 3 και πίεση P 1 = N/m 2. Για να πετύχουμε την ισοβαρή μεταβολή, απλά αλλάζουμε τη θερμοκρασία και δίνουμε τη νέα τιμή που θέλουμε. Το έμβολο είναι ελεύθερο και έτσι μπορούμε να εξασφαλίσουμε τη σταθερή πίεση. Μπορούμε να μελετήσουμε ξανά τη διαδικασία, έστω για θερμοκρασία Τ 2 =450 ο Κ. Τώρα οι νέες μας τιμές θα είναι P 2 =P 1 και V 2 = m 3. Βλέπουμε οτι ικανοποιείται η σχέση V 1 /T 1 =V 2 /T 2, η οποία είναι αυτή που διέπει τη ισοβαρή μεταβολή. 28

29 Οι μετρητές στο πείραμα αυτό έχουν την παρακάτω μορφή Εικόνα 8: Μετρητής Ισχύει: W=2.61 KJ, ΔU=0.52 KJ και ΔQ=3.13 KJ και παρατηρούμε πως ικανοποιείται η σχέση ΔQ=ΔU+ΔW. Αδιαβατική μεταβολή Εισάγουμε στο θάλαμο για το πείραμα 2 moles ιδανικού αερίου He. Ως αρχικές συνθήκες έχουμε θερμοκρασία Τ 1 =293 ο Κ, όγκο V 1 = m 3 και πίεση P 1 = N/m 2. Για να πετύχουμε την αδιαβατική μεταβολή, πρέπει πρώτα από όλα να αλλάξουμε τα τοιχώματα του θαλάμου του αερίου σε αδιαβατικά και να κλειδώσουμε τον όγκο. Έστω τώρα ότι διαλέγουμε μία νέα τιμή όγκου V 2 = m 3. Η μεταβολή που θα εκτελεστεί είναι αδιαβατική, γιατί το αέριο μας δεν ανταλλάσσει θερμοκρασία με το περιβάλλον, λόγω των αδιαβατικών τοιχωμάτων στο θάλαμο. Oι νέες τιμές που θα έχουμε είναι P 2 = N/m 2 και Τ 2 = ο Κ. Οι τιμές αυτές ικανοποιούν τη σχέση : P 1 V γ 1 =P 2 V γ 2, η οποία περιγράφει τις αδιαβατικές μεταβολές. Η τιμή γ είναι μία χαρακτηριστική σταθερά κάθε αερίου και για το He είναι: γ=

30 Εικόνα 9: Αδιαβατική μεταβολή Αυτό που βλέπουμε στους μετρητές είναι το παρακάτω αποτέλεσμα: Εικόνα 10: Μετρητής Παρατηρούμε ότι το ποσό ανταλλαγής θερμότητας Q είναι ίσο με μηδέν, αφού έχουμε αδιαβατικά τοιχώματα. Επίσης είναι ΔU=-ΔW=0.28 KJ. 30

31 31

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Το Λογισμικό Συνοπτική περιγραφή του λογισμικού Το λογισμικό "ΣΕΠ : Σύνθετο Εργαστηριακό Περιβάλλον" αποτελείται από δυο ανοιχτά εικονικά εργαστήρια: το "Εργαστήριο Θερμότητας" και το "Εργαστήριο Θερμοδυναμικής". Παράλληλα, με τα εργαστήρια αυτά, προσφέρεται μια επιλεγμένη σειρά θεμάτων πολυμέσων, που άπτονται της τεχνολογίας και των καθημερινών εφαρμογών. Στο πλαίσιο του λογισμικού, τα εικονικά πειράματα και το πολυμεσικό υλικό είναι διαρθρωμένα, νοηματικά και οπτικά, σε τρεις διακριτούς χώρους : α. το εικονικό εργαστήριο θερμοδυναμικής β. το εικονικό εργαστήριο θερμότητας γ. την εικονική βιβλιοθήκη που περιέχει το πολυμεσικό υλικό. 32

33 Τα εικονικά εργαστήρια Κάθε ένα από τα δυο εικονικά εργαστήρια αποτελούν και ένα προσομοιωμένο μικρόκοσμο της φυσικής επιστήμης. Αναφερόμενο στον εκπαιδευτικό, διατίθεται όλο το υλικό (όργανα, συσκευές, κλπ) για τη σύνθεση του εικονικού πειράματος. Ο εκπαιδευτικός επιλέγει τα εικονικά όργανα, και είτε συνθέτει ο ίδιος την πειραματική διάταξη, είτε απλώς διαθέτει τα εικονικά όργανα στον φοιτητή, ώστε ο τελευταίος να συνθέσει την εικονική διάταξη. Έτσι, ο μικρόκοσμος, δεν είναι προκατασκευασμένος, ούτε αυστηρά συγκεκριμένος, αλλά μπορεί να δημιουργηθεί είτε από τον εκπαιδευτικό, είτε και από το φοιτητή, εφόσον ο εκπαιδευτικός το επιθυμεί, σύμφωνα με τις κατευθύνσεις που προσδίδει στη διδασκαλία. Ιδιαίτερο βάρος στο εικονικό εργαστήριο αποδίδεται στη δημιουργία και την ερμηνεία από τον φοιτητή των γραφικών παραστάσεων. Από την άποψη της οπτικής απεικόνισης του, των χειρισμών και των λειτουργιών στο εσωτερικό του, το εικονικό εργαστήριο προσφέρει αξιοπιστία κατά την αναπαραγωγή των φυσικών φαινομένων και σε μεγάλο βαθμό πιστότητα των πειραματικών δραστηριοτήτων και ρεαλιστική απόδοση τους. Το εικονικό εργαστήριο θερμοδυναμικής Στο εργαστήριο θερμοδυναμικής υπάρχει μια προκαθορισμένη ρεαλιστική πειραματική διάταξη, με την οποία αναδεικνύονται πειραματικά οι νόμοι των αερίων, των κυκλικών μεταβολών και των θερμικών μηχανών. Ο φοιτητής ( ανάλογα με την ελευθερία που του έχει δοθεί από τον εκπαιδευτικό κατά τη σχεδίαση του εικονικού πειράματος ) μπορεί να χρησιμοποιήσει είτε ιδανικά είτε πραγματικά αέρια. Έμφαση στο εργαστήριο θερμοδυναμικής δίνεται στην ολοκληρωμένη χρήση και το συσχετισμό των γραφικών παραστάσεων. Το εργαστήριο παρέχει ελευθερία χειρισμών σε μεγάλο βαθμό και χρησιμοποιεί αντίστοιχη οπτικοποίηση με το εργαστήριο θερμότητας. 33

34 Το εικονικό εργαστήριο θερμότητας Ανάλογα με τη μορφή του εικονικού εργαστηρίου (που έχει προ-επιλέξει ο εκπαιδευτικός), ο χρήστης φοιτητής έχει στη διάθεσή του είτε μια προκατασκευασμένη πειραματική διάταξη (κλειστό ή παραμετρικό πείραμα), είτε μπορεί να επιλέξει και να συνθέσει μια ελεύθερη διάταξη, στηριζόμενος στα διαθέσιμα σ αυτόν όργανα, συσκευές και υλικά. Οι πειραματικές διατάξεις υλοποιούνται πάνω σε πάγκο εργασίας. Ο πάγκος έχει ενσωματωμένες πηγές θέρμανσης (λύχνος bunsen). Ο δείκτης στο ποντίκι αποκτά χαρακτηριστικά σχήματα, που υποβοηθούν την οπτικοποίηση των χειρισμών : π.χ. "παλάμη" όταν μετακινείται ένα αντικείμενο, βρύση όταν μεταγγίζεται υγρό, κλπ. Το πολυμεσικό υλικό Το πολυμεσικό υλικό έχει την μορφή ανεξάρτητων μεταξύ τους ψηφίδων πληροφορίας. Οι ψηφίδες συγκεντρώνονται, ανάλογα με το είδος της πληροφορίας που φέρουν, σε ομάδες όπως: κείμενα ιστορικών πληροφοριών, video πειραμάτων, προσομοιώσεις φαινομένων, θέματα τεχνολογίας ή καθημερινής ζωής και πειράματα. Η φύση του λογισμικού Η φύση του λογισμικού είναι διττή : Από τη μια ενσωματώνει την δυνατότητα θεωρητικής επεξεργασίας και διερεύνησης των θεμάτων που διαπραγματεύεται, με τελικό αποτέλεσμα την διατύπωση θεωρητικών προτάσεων. Το πλεονέκτημα σε σχέση με ένα κλασικό έντυπο βιβλίο θεωρίας, είναι αυτή ακριβώς η multimedia παρουσίαση των θεμάτων, η δυνατότητα αλληλεπίδρασης των φοιτητών τόσο μεταξύ τους όσο και με το προς μελέτη υλικό, αλλά και η επιλογή από τον εκπαιδευτικό συγκεκριμένων κομματιών που επιθυμεί να θέσει προς μελέτη στους φοιτητές του οποιαδήποτε στιγμή. 34

35 Από την άλλη προσφέρει δυνατότητες πειραματικού τύπου προσέγγισης των θεμάτων, δίνοντας την ευκαιρία στον εκπαιδευτικό να εκμεταλλευτεί, αφ ενός την γρήγορη εκτέλεση των εικονικών πειραμάτων, αφ ετέρου την συγχρονική απεικόνιση των γραφικών παραστάσεων. Επιπλέον, το εικονικό Εργαστήριο διατηρεί αρκετές από τις ιδιότητες ενός «πραγματικού» εργαστηρίου, κυρίως όσες σχετίζονται με την καλλιέργεια του πειραματικού τρόπου σκέψης των φοιτητών. Η δημιουργία πολλών και διαφορετικών συνόλων ψηφίδων, αλλά και η προσθήκη νέων ψηφίδων από τον εκπαιδευτικό, είναι εύκολα υλοποιήσιμη και αποτελεί ένα από τα πλεονεκτήματα του λογισμικού. Η μορφή του λογισμικού προσφέρει πολλαπλές δυνατότητες στον εκπαιδευτικό, όσον αφορά την ένταξη του υλικού στην διδακτική διαδικασία. Θα επιχειρήσουμε παρακάτω να δώσουμε μερικά παραδείγματα των τρόπων ένταξης, που οριοθετούν κατά κάποιο τρόπο τις δυνατότητες αυτές. α. Προσεγγίσεις ολιστικού τύπου Έτσι, θα μπορούσαμε να πούμε, ότι στο ένα άκρο βρίσκονται διδακτικές προσεγγίσεις ολιστικού τύπου, με την έννοια ότι προϋποθέτουν την ευρεία και σφαιρική διερεύνηση κάποιου θέματος. Τέτοιες προσεγγίσεις απαιτούν την επεξεργασία ενός σημαντικού όγκου πληροφοριών και συνεπώς την χρησιμοποίηση μεγάλου αριθμού ψηφίδων, διαφορετικών τύπων. Το πλεονέκτημα με τις προσεγγίσεις αυτού του τύπου βρίσκεται ακριβώς στην πολύπλευρη κάλυψη των διαπραγματεύσιμων θεμάτων, ενώ σαν μειονέκτημα θα μπορούσε να αναφερθεί η ανάγκη της χρήσης πολύπλοκων Φύλλων Εργασίας, αλλά και οι υψηλές απαιτήσεις σε χρόνο, που ξεφεύγουν από τα όρια μιας διδακτικής ώρας. β. Προσεγγίσεις «μερικού» τύπου ή «εστιασμένες» προσεγγίσεις Στο άλλο άκρο των διδακτικών προσεγγίσεων βρίσκονται οι «εστιασμένες» προσεγγίσεις. Τέτοιου είδους προσεγγίσεις έχουν πολύ περισσότερες πιθανότητες εφαρμογής στο φοιτητικό περιβάλλον, γιατί παρουσιάζουν ένα 35

36 μεγάλο πλεονέκτημα: είναι βραχύχρονες. Αντιστοιχούν λοιπόν σε λιγότερο από μία με δύο διδακτικές ώρες, εμφανίζοντας μεγάλη προσαρμοστικότητα στις ανάγκες των εκπαιδευτικών. Οι προσεγγίσεις αυτές εστιάζονται στο υπό μελέτη φαινόμενο με μια φιλοσοφία που προσιδιάζει περισσότερο στην καθαρή Πειραματική Φυσική. Στην διερεύνηση αυτού του τύπου κυρίαρχο ρόλο παίζει το πείραμα, το οποίο όμως, ταυτόχρονα, μπορεί να συνδυαστεί και με μικρά τμήματα της υπό διερεύνηση απαραίτητης θεωρίας. γ. Η πρόταση της επιστημονικής ομάδας Κατά την πρώτη εφαρμογή του λογισμικού στην αίθουσα, οι «εστιασμένες» προσεγγίσεις εμφανίζουν περισσότερα πλεονεκτήματα. Έτσι, η επιστημονική ομάδα προσφέρει, στο συνοδευτικό υλικό, μια σειρά εικονικών πειραμάτων, με τα αντίστοιχα εγχειρίδια που περιέχουν τα Φύλλα Εργασίας για τον φοιτητή και ανάλυση - επεξήγηση αυτών των Φύλλων Εργασίας για τον εκπαιδευτικό. Στη συνέχεια αναλύονται οι βασικές σχεδιαστικές αρχές και παιδαγωγικές προσεγγίσεις σχετικά με: - την τεχνική των εικονικών εργαστηρίων, των πολυμέσων και των προσομοιώσεων, υπό το πρίσμα της ένταξής τους στη διδασκαλία των Φυσικών Επιστημών - το ρόλο των γραφικών παραστάσεων στην εκπαίδευση στις Φυσικές Επιστήμες - χαρακτηριστικά και σκοπιμότητα του "εικονικού εργαστηρίου" θερμότητας, καθώς και αναφορά στις αντιλήψεις των φοιτητών για έννοιες και φαινόμενα από τον κλάδο της Θερμοδυναμικής - την ένταξη του εικονικού εργαστηρίου και την ανάπτυξη των Φύλλων Εργασίας. 36

37 Γιατί εικονικά εργαστήρια και προσομοιώσεις; Η συλλογή δεδομένων που αφορούν την εξέλιξη φαινομένων, μέσω μιας πειραματικής διάταξης ή από το περιβάλλον, η επεξεργασία των τιμών, η αναπαράσταση των μεταβολών και η επανάληψη των φάσεων με νέες παραμέτρους, με σκοπό την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τους νόμους που διέπουν τις μεταβολές αυτές, αποτελούν σύνθετες πειραματικές διαδικασίες. Από τη διεθνή εμπειρία και έρευνα φαίνεται ότι εφαρμογές Νέων Τεχνολογιών, που έχουν τη δυνατότητα να προσεγγίζουν με πολλαπλά μέσα τη μελέτη ενός πεδίου, μπορούν να υποστηρίξουν επί μέρους φάσεις των εργαστηριακών πρακτικών, υποσκελίζοντας ως ένα βαθμό τους περιορισμούς που πηγάζουν από τις τεχνικές και μεθόδους του κλασικού εργαστηρίου Φυσικών Επιστημών. Οι ίδιες εφαρμογές των Νέων Τεχνολογιών, πέρα από την υποστήριξη των κλασικών λειτουργιών που προσφέρουν, φαίνεται επίσης ότι εισάγουν νέες δυνατότητες και προοπτικές, οι οποίες επεκτείνουν τα όρια των μεθόδων του κλασικού εργαστηρίου. Οι προσομοιώσεις φυσικών φαινομένων Ως προσομοίωση θεωρείται, γενικότερα, η μερική μεταφορά και απεικόνιση, σε περιβάλλον υπολογιστή, ενός φυσικού, τεχνητού ή κοινωνικού συστήματος εννοιών και αντικειμένων, φαινομένων ή διαδικασιών, με ενσωμάτωση των λειτουργικών στοιχείων των παραγόντων που λαμβάνουν μέρος. Ο όρος προσομοίωση αποτελεί ευρεία έννοια η οποία μπορεί να υπονοεί: - Τα ίδια τα λογισμικά. Αναφέρεται, για παράδειγμα, ως προσομοίωση, το πρόγραμμα μελέτης των μεταβολών ενός αερίου. 37

38 - Τις διατάξεις που αναπαρίστανται στην οθόνη. Για παράδειγμα, μια μηχανή εσωτερικής καύσεως (Μ.Ε.Κ.) προσομοιώνεται στον υπολογιστή. - Τις διαδικασίες που εκτελούνται. Αφού προηγηθεί η πειραματική σχεδίαση μιας μηχανής εσωτερικής καύσεως μέσω κυκλικής μεταβολής αερίου στον υπολογιστή, προσομοιώνεται αν είναι εφικτή η κατασκευή του. Σε ένα σύστημα προσομοίωσης φαινομένων διακρίνονται τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: - Το περιβάλλον διεπαφής του χρήστη (user interface), το οποίο αφορά την επιλογή των πολυμέσων και καθορίζει την αισθητηριακή μορφή, με την οποία ο προσομοιωμένος κόσμος παρουσιάζεται στον χρήστη, αλλά και τους χειρισμούς που ο τελευταίος πρέπει να εκτελεί. - Τη διαδικασία μετασχηματισμού, η οποία αφορά τις παραδοχές και απλοποιήσεις που επιδέχεται η επιστημονική θεωρία ώστε να προκύψει το αντίστοιχο πληροφοριακό σενάριο, μέσω των οποίων, από τον πολύπλοκο φυσικό κόσμο, θα αναδειχθούν τα λειτουργικά στοιχεία που καλείται να διαχειριστεί η προσομοίωση. - Τον παράγοντα που αναφέρεται στην ελευθερία χειρισμών που παρέχεται στο χρήστη, ώστε να ελέγχει τη συμπεριφορά και τις παραμέτρους του λογισμικού. - Διδακτικές παραμέτρους, οι οποίες αφορούν, κατά κύριο λόγο, το μοντέλο ένταξης της προσομοίωσης σε μια διδακτική πρακτική και η καθοδήγηση που παρέχεται από τον εκπαιδευτικό ή από το ίδιο το λογισμικό και κατευθύνει τις ενέργειες του χρήστη. Το περιβάλλον διεπαφής του χρήστη Το γεγονός ότι μία προσομοίωση αποτελεί μεταφορά μιας οντότητας στον υπολογιστή, σημαίνει ότι δεν αντιμετωπίζουμε την ίδια τη πραγματικότητα (reality). Ως αναπαράσταση, μία προσομοίωση υπόκειται σε σειρά από 38

39 συμβιβαστικές παραδοχές και αφαιρέσεις, οι οποίες καθορίζονται από το σχεδιασμό του προγράμματος και της διδακτικής ένταξης του και από τις τεχνικές δυνατότητες του υπολογιστή. Η πραγματικότητα είναι πολύπλοκη (complex), έτσι που δεν είναι δυνατό να ληφθούν υπόψη όλοι οι παράγοντες που επηρεάζουν την εξέλιξη ενός φαινομένου και δεν έχουν συμπεριληφθεί στον εσωτερικό κώδικα της προσομοίωσης. Αν η προσομοίωση είναι πολύ πλούσια σε παραστάσεις και όγκο πληροφοριών στην οθόνη, μπορεί να επισκιάσει τους παράγοντες του περιβάλλοντος που επιδιώκουμε να μελετήσουμε. Για διδακτικούς σκοπούς επομένως, δεν είναι δυνατή, αλλά ίσως ούτε και επιθυμητή, μια άκρως αληθοφανής αναπαράσταση. Αυτή μάλιστα η συνειδητή απόκλιση από τη πραγματικότητα τεκμηριώνει το σχεδιασμό και τη χρήση των εικονικών εργαστηρίων και των περιβαλλόντων προσομοίωσης. Η λειτουργική συνέπεια των προσομοιώσεων Πέρα από τη μορφή του περιβάλλοντος διεπαφής που χαρακτηρίζει την αισθητηριακή αληθοφάνεια ενός συστήματος προσομοίωσης και τους τρόπους χειρισμού του, το στοιχείο που καθορίζει τη λειτουργική συνέπεια και την επιστημονική εγκυρότητα του περιεχομένου μιας προσομοίωσης είναι ο παράγοντας της εσωτερικής δομής της, ο οποίος αναπτύχτηκε βάσει του πηγαίου πληροφοριακού κώδικα που ενσωματώνει του νόμους της Φυσικής και τους αντίστοιχους μαθηματικούς τύπους. Επιδιώκεται να είναι συνεπής η λειτουργική δομή της προσομοίωσης με το επιστημονικό πρότυπο, για να αποφευχθούν μη αποδεκτές, σύμφωνα με τη θεωρία, εξελίξεις των εικονικών φαινομένων και εσφαλμένες αντιλήψεις στους φοιτητές. Προσομοιώσεις κλειστού τύπου Αναγνωρίζονται και ως κλειστές προσομοιώσεις ή απλές επιδείξεις φαινομένων και εννοιών. Ο κατασκευαστής, αφού προ-επιλέξει τα όργανα και 39

40 τις συσκευές που θα απαρτίζουν την πειραματική διάταξη και καθορίσει τους φυσικούς νόμους βάσει των οποίων θα εξελίσσονται τα φαινόμενα, κατόπιν προχωρά στην επίδειξη. Στην πιο απλή περίπτωση ο χρήστης παρατηρεί μόνο, δεν προβαίνει σε καμιά ενέργεια χειρισμού της και επομένως δεν εξασκεί κανένα ουσιαστικό έλεγχο στην προσομοίωση, εκτός από την επιλογή του χρόνου της έναρξης, της παύσης ή της αντίστροφης εκτέλεσης. Παραμετρικές Προσομοιώσεις Οι δραστηριότητες που συνδέονται με τη χρήση τους, επεκτείνονται προς τη παραμετρική διερεύνηση των φαινομένων που αναπαρίστανται, με σκοπό την εξαγωγή συμπερασμάτων για τις θεωρητικές σχέσεις μεταξύ των μεγεθών που συναντώνται στα φαινόμενα. Η γνωστική περιοχή, το πεδίο των φαινομένων, η εικόνα της πειραματικής διάταξης και η λειτουργικότητα των αντικειμένων, εξακολουθούν να είναι περιορισμένα και αυστηρά καθορισμένα. Παρέχεται όμως η δυνατότητα παρέμβασης του χρήστη στη ρύθμιση μιας ή περισσοτέρων ανεξάρτητων μεταβλητών, που καθορίζουν την εξέλιξη των φαινομένων. Είναι προκαθορισμένο ποιες θα είναι οι μεταβλητές αυτές, καθώς και η συμβολή τους στη προσομοίωση. Οι χρήστες καλούνται να ορίσουν τιμές στις ανεξάρτητες μεταβλητές, να εκτελέσουν το πείραμα, να πραγματοποιήσουν μετρήσεις και να διερευνήσουν την εξέλιξη μέσω της παραμετροποίησης. Εικονικά εργαστήρια ανοικτού τύπου - Μικρόκοσμοι Οι μικρόκοσμοι, στις Φυσικές Επιστήμες, αποτελούν ανοικτά υπολογιστικά περιβάλλοντα κατασκευής και διερεύνησης της συμπεριφοράς των αντικειμένων ενός εικονικού περιβάλλοντος (κόσμου), καθώς και των συνεπειών των φυσικών νόμων που τους διέπουν. Η ελευθερία χειρισμών που παρέχεται είναι μεγάλη. Ο προς προσομοίωση κόσμος δεν είναι προκατασκευασμένος ή συγκεκριμένος, αλλά μπορεί να δημιουργηθεί από τον εκπαιδευτικό ή το φοιτητή, τη στιγμή που απαιτεί η εφαρμογή. Ο δημιουργός μπορεί να συνθέσει και να διερευνήσει τη δική του εργαστηριακή εφαρμογή επιλέγοντας τα εικονικά όργανα και τη μορφή της διάταξης, 40

41 χρησιμοποιώντας την ελευθερία παραμετροποίησης των μεγεθών και την δυνατότητα της πολλαπλής αναπαράστασης των αποτελεσμάτων που του παρέχεται. Προσοχή! Σε περίπτωση ελεύθερης περιήγησης στις λειτουργίες του περιβάλλοντος, η μεγάλη ελευθερία ελέγχου μπορεί να καταστήσει τη διερεύνηση του μικρόκοσμου χαοτική και πληκτική. Γιατί γραφικές παραστάσεις; Η γραφική παράσταση, ως βασικός μηχανισμός συμβολικής αναπαράστασης μεταβολών, αντιμετωπίζεται στο εικονικό εργαστήριο ως εργαλείο εγκαθίδρυσης νοητικών δεσμών μεταξύ θεωρίας και φαινομένων, στην αντίληψη των φοιτητών. Οι γραφικές παραστάσεις πραγματικού χρόνου, με συγκεκριμένο περιεχόμενο και σε συνθήκες διδασκαλίας, προσεγγίζονται ως μια πρακτική που είναι φυσικά ενσωματωμένη στο εργαστήριο, όχι μόνο ως τεχνική χειρισμού δεδομένων, αλλά επίσης κι ως διδακτικό εργαλείο, που παρέχει δυνατότητες οικοδόμησης δεσμών μεταξύ της θεωρίας και των φαινομένων. Ως βασικός μηχανισμός συμβολικής αναπαράστασης, οι γραφικές παραστάσεις συναντώνται ευρύτατα στις διαδικασίες χειρισμού και επεξεργασίας δεδομένων στο σχολικό ή ερευνητικό εργαστήριο των Φυσικών Επιστημών. Οι γραφικές παραστάσεις αποτελούν άριστο εργαλείο για την απεικόνιση συγκεκριμένων δεδομένων και για την αναπαράσταση της σχέσης μεταξύ δύο συνεχών μεταβλητών σε εικονική μορφή, παρέχουν δε την καλύτερη σύνοψη για τη σχέση μεταξύ μεταβλητών σε συναρτήσεις. Η απεικόνιση που προκύπτει είναι δυνατόν να αποκαλύψει τη φύση των σχέσεων των φυσικών μεγεθών, σε βαθμό που να προάγεται η επικοινωνία δύσκολων εννοιών και ιδεών. Νόμοι αερίων, πιέσεις αερίων, καμπύλες θέρμανσης, διαγράμματα φάσεων, σχέση τάσης / έντασης κλπ, διερευνώνται και περιγράφονται μέσω γραφικών παραστάσεων. Χρησιμοποιούνται ευρέως στην οργάνωση μεγάλων ποσών δεδομένων με οικονομικό τρόπο και αποτελούν άριστα εργαλεία στην αναπαράσταση συμμεταβολών μεταξύ συνεχών μετρήσεων. Οι διαστάσεις του ρόλου και της σημασίας των γραφικών παραστάσεων έχουν εντοπιστεί και περιγραφεί από σειρά ερευνών. 41

42 42

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Θερμικός κύκλος Otto Τετράχρονος βενζινοκινητήρας (Otto) Ένας από τους πιο διαδεδομένου κινητήρες εσωτερικής καύσεως στην εποχή μας είναι ο τετράχρονος βενζινοκινητήρας. Ο βενζινοκινητήρας, όπως άλλωστε το λέει και η ίδια η λέξη, χρησιμοποιεί ως καύσιμο υλικό την βενζίνη. Μια άλλη ονομασία του είναι «κινητήρας Otto» από τον εφευρέτη του. Σε έναν κινητήρα Otto, χρόνος καλείται η διαδρομή που εκτελεί το έμβολο μεταξύ του Άνω Νεκρού Σημείου (Α.Ν.Σ.) και του Κάτω Νεκρού Σημείου (Κ.Ν.Σ.). Ονομάζεται τετράχρονος διότι ο κάθε κύλινδρος εκτελεί ένα πλήρη θερμικό κύκλο σε τέσσερις φάσεις (χρόνους). Ένας πλήρης κύκλος λειτουργίας απαιτεί δύο πλήρεις περιστροφές του στροφαλοφόρου άξονα και αυτό ισοδυναμεί με 720 μοίρες και πραγματοποιείται κατά τη διάρκεια 4 43

44 διαδρομών του εμβόλου. Οι διεργασίες που εκτελούνται σε έναν κύκλο λειτουργίας ενός τετράχρονου βενζινοκινητήρα είναι πέντε και είναι οι ακόλουθες: 0->1 εισαγωγή καυσίμου 1->2 ισεντροπική (αδιαβατική )συμπίεση 2->3 ισόχωρη προσθήκη θερμότητας 3->4 ισεντροπική (αδιαβατική) εκτόνωση 4->1 ισόχωρη απόρριψη θερμότητας 1 ος χρόνος (0-1). Εισαγωγή Το έμβολο βρίσκεται στο Άνω Νεκρό Σημείο (Α.Ν.Σ.) και κινείται προς το Κάτω Νεκρό Σημείο (Κ.Ν.Σ.). Εκείνη τη στιγμή ανοίγει η βαλβίδα εισαγωγής μείγματος και καθώς το έμβολο μετακινείται προκαλεί την αναρρόφηση του μείγματος. Η μεταβολή αυτή γίνεται υπό σταθερή πίεση και γι αυτό είναι ισοβαρής. 2 ος χρόνος (1-2). Συμπίεση μείγματος Μόλις το έμβολο φτάσει στο ΚΝΣ κλείνει η βαλβίδα εισαγωγής αέρα και το έμβολο αρχίζει την άνοδό του προς το ΑΝΣ. Στη φάση αυτή το έμβολο καταναλώνει έργο που παράγεται από κάποιο άλλο. Καθώς το έμβολο ανεβαίνει, συμπιέζει το μείγμα αέρα και βενζίνης σε τέτοιο βαθμό, ώστε να φτάσει σε θερμοκρασία 300 με C που αντιστοιχεί σε πίεση γύρω στις 17 ατμόσφαιρες. Η μεταβολή αυτή είναι αδιαβατική. 44

45 Εικόνα 11: Εισαγωγή καυσίμου Εικόνα 12: Ισεντροπική (αδιαβατική )συμπίεση 3 ος χρόνος (2-3-4). Ανάφλεξη- Εκτόνωση Η μέγιστη συμπίεση έχει επιτευχθεί όταν το έμβολο βρίσκεται στο ΑΝΣ. Εκείνη τη στιγμή ο σπινθηριστής (μπουζί) ενεργοποιείται με αποτέλεσμα να αρχίσει η καύση του μείγματος η οποία ολοκληρώνεται κατά μήκος της διαδρομής 2-3 υπό σταθερό όγκο. Για το λόγο αυτό η μεταβολή ονομάζεται ισόχωρη. 45

46 Εικόνα 13: Συμπιεσμένο μείγμα Εικόνα 14: ισόχωρη προσθήκη θερμότητας Μετά την ολοκλήρωση της καύσεως του μείγματος το έμβολο κινείται προς το ΚΝΣ, οπότε εκτονώνεται το μείγμα παράγοντας έργο. Η εκτόνωση αντιστοιχεί σε αδιαβατική μεταβολή. 46

47 Εικόνα 15: Καύση μείγματος Εικόνα 16: ισεντροπική (αδιαβατική) εκτόνωση 4 ος χρόνος (4-1-0). Εξαγωγή καυσαερίου Τέλος, στο σημείο 4 ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής καυσαερίων και καθώς το έμβολο μετακινείται από το ΚΝΣ στο ΑΝΣ ωθεί τα καυσαέρια προς την ατμόσφαιρα (διαδρομή 1-0). Η μεταβολή αυτή πραγματοποιείται υπό σταθερή πίεση, θεωρητικά ίση με την ατμοσφαιρική και γι αυτό είναι ισοβαρής. 47

48 Εικόνα 17: Ισόχωρη απόρριψη θερμότητας Εικόνα 18: Ολοκλήρωση κύκλου λειτουργίας 1. Με τη βαλβίδα εισαγωγής ανοιχτή, το έμβολο εισάγει φρέσκο μείγμα στον κύλινδρο. 2. Και με τις δύο βαλβίδες κλειστές το έμβολο εκτελεί συμπίεση αυξάνοντας τη θερμοκρασία αλλά και τη πίεση. Απαιτεί εισαγωγή έργου. Αρχίζει η διεργασία συμπίεσης καταλήγοντας σε μείγμα υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης. Η καύση στον ΟΤΤΟ γίνεται στο τέλος της συμπίεσης. 3. Παράγεται έργο αφού το μείγμα εκτονώνεται και έτσι επιστρέφει στο κάτω νεκρό σημείο. 4. Τα καυσαέρια απορρίπτονται από τον κύλινδρο μέσω της βαλβίδας εξαγωγής. 48

49 Εικόνα 19: Θεωρητικός κύκλος Otto Εικόνα 20: Πραγματικός κύκλος Otto Στα παραπάνω σχήματα παρουσιάζονται το πραγματικό διάγραμμα λειτουργίας μιας τετράχρονης βενζινομηχανής και το θεωρητικό διάγραμμα. Δεν υπάρχουν μεγάλες διαφορές μεταξύ τους και μάλιστα όσο πιο καλή είναι η προσέγγιση αυτή, τόσο καλύτερη είναι η λειτουργία της μηχανής. (Το πραγματικό διάγραμμα λειτουργίας εξετάστηκε στην αρχή του κεφαλαίου αυτού). 49

50 50

51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Θερμικός κύκλος Diesel Τετράχρονος πετρελαιοκινητήρας (Diesel) Οι εμβολοφόρες μηχανές εσωτερικής καύσεως που χρησιμοποιούν ως καύσιμο το πετρέλαιο υλοποιούνται στον θερμικό κύκλο Diesel. Ο θερμικός κύκλος περιλαμβάνει τις μεταβολές που γίνονται στον κύλινδρο υπό ιδανικές συνθήκες λειτουργίας και χωρίς απώλειες. 51

52 Εικόνα 21: Θεωρητικός κύκλος Diesel 1->2 ισεντροπική (αδιαβατική) συμπίεση 2->3 ισόθλιπτη προσθήκη θερμότητας 3->4 ισεντροπική (αδιαβατική) εκτόνωση 4->1 ισόχωρη απόρριψη θερμότητας 1 ος χρόνος (0-1). Αναρρόφηση αέρα Το έμβολο μετακινείται από το Άνω Νεκρό Σημείο προς το Κάτω Νεκρό Σημείο, στο θάλαμο δημιουργείται υποπίεση και αναρροφάται ατμοσφαιρικός αέρας. Στη φάση αυτή η βαλβίδα εισαγωγής αέρα είναι ανοιχτή και η βαλβίδα εξαγωγής καυσαερίου είναι κλειστή. Η κίνηση του εμβόλου από το ΑΝΣ προς το ΚΝΣ εξασφαλίζεται λόγω της αδράνειας περιστροφής του στροφάλου από τον σφόνδυλο ή από ένα άλλο έμβολο που βρίσκεται σε μία από τις άλλες τρείς φάσεις. Στην προκειμένη περίπτωση η εισαγωγή του αέρα γίνεται λόγω υποπίεσης και γι αυτό οι μηχανές, όπου ο αέρας εισάγεται με αυτό τον τρόπο, ονομάζονται μηχανές Ντίζελ χωρίς υπερπλήρωση. 52

53 2 ος χρόνος (1-2). Συμπίεση αέρα Το έμβολο, αφού περάσει από το ΚΝΣ, αρχίζει να ανεβαίνει πλέον προς το ΑΝΣ. Την χρονική αυτή στιγμή και οι δυο βαλβίδες είναι κλειστές και κατά συνέπεια ο ατμοσφαιρικός αέρας συμπιέζεται και ταυτόχρονα θερμαίνεται. Το έργο που απαιτείται από την μετακίνηση του εμβόλου προέρχεται από την λοιπή λειτουργία του κινητήρα. Ο 2 ος χρόνος ολοκληρώνεται όταν το έμβολο φτάσει στο ΑΝΣ όπου αρχίζει ο τρίτος χρόνος. Εικόνα 22: Προετοιμασία χώρου καύσεως Εικόνα 23: Ισεντροπική (αδιαβατική) συμπίεση 53

54 3 ος χρόνος (2-3-4). Ανάφλεξη καύση εκτόνωση Μόλις το έμβολο φτάσει στο ΑΝΣ όλος ο ατμοσφαιρικός αέρας έχει συμπιεστεί στον όγκο του διάκενου και βρίσκεται υπό υψηλή θερμοκρασία. Τη χρονική αυτή στιγμή το σύστημα ψεκασμού διοχετεύει το καύσιμο με τη μορφή σταγονιδίων στο χώρο καύσης. Το καύσιμο αναφλέγεται λόγω της υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης του αέρα και αρχίζει η διαδικασία της καύσης. Ταυτόχρονα αρχίζει η διαδικασία εκτόνωσης του αέριου μείγματος ενώ το έμβολο κινείται προς το ΚΝΣ. Στο χρόνο αυτό παράγεται ωφέλιμο έργο το οποίο αποδίδεται στο στρόφαλο και από κει μέσω του κιβωτίου ταχυτήτων στο σύστημα κίνησης. Εικόνα 24: Ισόθλιπτη προσθήκη θερμότητας και παραγωγή έργου Εικόνα 25: Ισεντροπική (αδιαβατική) εκτόνωση 54

55 4 ος χρόνος (4-1). Εξαγωγή καυσαερίου Στο τέλος του τρίτου χρόνου το έμβολο βρίσκεται στο ΚΝΣ και ο θάλαμος περιέχει τα καυσαέρια που προέκυψαν από τη καύση. Τη χρονική αυτή στιγμή ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής των καυσαερίων και καθώς το έμβολο κινείται προς το ΑΝΣ σπρώχνει τα καυσαέρια έξω από το θάλαμο. Η τέταρτη φάση ολοκληρώνεται μόλις το έμβολο φτάσει στο ΑΝΣ. Εικόνα 26: Ισόχωρη απόρριψη θερμότητας 55

56 56

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Σχεδιασμός και υλοποίηση των εργαστηριακών πειραμάτων προσομοίωσης Α. Σχεδιασμός και υλοποίηση θερμικού κύκλου Otto Για την σχεδίαση της θερμικής μηχανής υπάρχουν πολλοί παράγοντες που παίζουν ρόλο. Κατ αρχάς πρέπει να ληφθεί υπ όψιν ότι δεν υπάρχουν «ιδανικές συνθήκες» στην φύση και πως όλες οι καταστάσεις βασίζονται σε θεωρήματα και υπακούν σε νόμους, καθώς υπάρχουν και αλληλεπιδράσεις μεταξύ συστήματος - κόσμου. Επίσης κατά την μεταβολή ενός θερμοδυναμικού μεγέθους (π.χ. θερμοκρασία) με το χρόνο δεν υπάρχει πλήρης ισορροπία στον μικρόκοσμο των ατόμων από τη μια κατάσταση στην άλλη. Οι εναλλαγές γίνονται τόσο γρήγορα που ουσιαστικά θεωρούμε πως το 57

58 σύστημα δεν προλαβαίνει να αλληλεπιδράσει με το περιβάλλον, ενώ θεωρούμε ψευδό-καταστάσεις ισορροπίας για να γίνει ανάλυση. Για την κατασκευή του συγκεκριμένου πειράματος απαιτήθηκε πολύωρη ανάγνωση και κατανόηση των θερμοδυναμικών μεταβολών που συνθέτουν τον κύκλο Otto (ισόχωρη μεταβολή και αδιαβατική μεταβολή). Οι τιμές των θερμοδυναμικών μεγεθών που επιλέχτηκαν ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα. Για παράδειγμα η τιμή των K που ισούται με 20 0 C είναι μια συνήθη θερμοκρασία περιβάλλοντος κατά τους εαρινούς και φθινοπωρινούς μήνες. Όμως K είναι μια τιμή εντός του εύρους θερμοκρασίας που λειτουργεί ένας βενζινοκινητήρας. Το ανώτατο όριο θερμοκρασίας στο συγκεκριμένο κύκλο επιλέχτηκε επίσης με βάση το πραγματικό εύρος λειτουργίας θερμοκρασίας του κινητήρα αλλά και σύμφωνα με τις ενδείξεις των οργάνων του λογισμικού. Για λόγους ασφαλείας ενδείκνυται η τιμή στο όργανο του λογισμικού να μην ξεπερνά τους K. Ουσιαστικά προειδοποιεί πως η υπέρβαση αυτού του ορίου είναι επικίνδυνη. Αλλά K που είναι το ανώτατο όριο αυτού του πειράματος είναι μια πραγματική τιμή, καθώς τα καυσαέρια από την εξάτμιση πρέπει να είναι πάνω από K. Διαφορετικά, τα καυσαέρια θα υγροποιούνταν στον καταλύτη και θα προκαλούσαν φθορές στα μέρη της μηχανής. Τα μεγέθη του όγκου του δοχείου και της πίεσης είναι εικονικά για να γίνει η προσομοίωση. Δεν κατασκευάζονται τόσο μεγάλου κυβισμού βενζινοκινητήρες και οι πιέσεις στον χώρο καύσεως είναι μεγαλύτερες στην πραγματικότητα. Επιπλέον, το ήλιο (He) ως ευγενές αέριο (μονατομικό) εξυπηρετεί στην χρησιμοποίηση για την προσομοίωση του θερμικού αυτού κύκλου καθώς συμπεριφέρεται σχεδόν ως ιδανικό αέριο. Β. Σχεδιασμός και υλοποίηση θερμικού κύκλου Diesel Για τη σχεδίαση μιας θερμικής μηχανής πρέπει να είναι γνωστές οι συνθήκες λειτουργίας. Είναι πρέπον να σημειωθεί πως απαιτείται η γνώση και η κατανόηση των μεταβολών που συντελούν στον θερμικό κύκλο λειτουργίας 58