TermoDYNAMIKA 120512

  • View
    351

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of TermoDYNAMIKA 120512

POLITECHNIKA WROCAWSKA TERMODYNAMIKASILNIKI SPALINOWE Anna JANICKA, Czesaw KOLANEK, Wojciech W. WALKOWIAK Wrocaw 2012 2 Spis treci Alfabet grecki .........3 Przedrostki ukadu jednostek SI ........4 1.Wstp .....5 I Zagadnienia podstawowe ....7 2.Pojcia podstawowe .......7 2.1 Znamiona stanu ......7 2.2 Cinienie .....7 2.3 Temperatura .....10 2.4 Czynnik termodynamiczny ..13 2.5 Rwnanie stanu gazu doskonaego i pdoskonaego .....14 2.6 Mieszaniny (roztwory) .....15 2.7 Procesy termodynamiczne ...17 3.Praca ....18 4.Bilans energii ...23 5.Pierwsza zasada termodynamiki ......26 6.Zerowa zasada termodynamiki ....28 7.Ciepo waciwe (pojemno cieplna waciwa) .....29 7.1 Gazy doskonae.......29 7.2 Gazy pdoskonae ......30 8.Energia wewntrzna, entalpia ..31 8.1 Gaz doskonay i pdoskonay .....31 8.2 Ciecze i ciaa stae ...33 9.Przemiany termodynamiczne charakterystyczne ....34 9.1 Przemiana izochoryczna .....34 9.2 Przemiana izobaryczna ...34 9.3 Przemiana izotermiczna ..35 9.4 Przemiana adiabatyczna ..37 9.5 Przemiana politropowa ...39 10. Entropia ...44 11. Odwzorowanie przemian charakterystycznych w ukadzie T-s ..47 12. Obiegi ..49 13. Druga zasada termodynamiki...54 II. Zagadnienia wybrane .57 14. Wymiana ciepa ...61 14.1Zasadnicze rodzaje wymiany ciepa ....62 14.2Podstawowe pojcia i zalenoci opisujce wymian ciepa .......63 15. Sprarki ..70 15.1Sprawno mechaniczna sprarki....71 15.2Sprawno indykowana ....74 15.3Praca sprania .....75 16. Urzdzenia chodnicze .....75 17. Charakterystyki silnikw spalinowych ....79 18. Obiegi pracy silnika spalinowego ..84 19. Stechiometria spalania .....93 19.1Rwnania stechiometryczne .....95 19.2Wspczynniknadmiarupowietrza,stopiezanieczyszczenia,stopie napenienia ...96 3 19.3Czynnik roboczy ..102 19.4Spalanie w silniku o zaponie iskrowym .105 Literatura .107 4 Alfabet grecki alfa beta gamma delta epsilon dzeta eta teta jota kappa lambda mi ni ksi omikron pi ro sigma tau ypsilon fi chi psi omega 5 Przedrostki ukadu jednostek SI ListaprzedrostkwukadujednostekSI(wjzykufrancuskim:SystmeInternational d'Units)oficjalniezatwierdzonychprzezBIPM,czyliBureauInternationaldesPoidset Mesures(odpowiednikangielski:InternationalBureauofWeightsandMeasures; odpowiednik polski: Midzynarodowe Biuro Miar i Wag ) Oficjalne przedrostki SI NazwaSymbolMnonikNazwa mnonika jotta (gr. okto - osiem)Y1024kwadrylion zetta (ac. septem - siedem)Z1021tryliard eksa (gr. ex - sze)E1018trylion peta (gr. penta - pi)P1015biliard tera (gr. teras potwr)T1012bilion giga (gr. gigas olbrzymi)G109miliard mega (gr. megas wielki)M106milion kilo (gr. khilioi tysic)k10tysic hekto (gr. hekaton sto)h10sto deka (gr. deka dziesi)da101dziesi 100jeden decy (ac. decimus dziesity)d10-1jedna dziesita centy (ac. centum sto)c10-2jedna setna mili (ac. mille tysic)m10-3jedna tysiczna mikro (gr. mikros may)10-6jedna milionowa nano (gr. nanos karze)n10-9jedna miliardowa piko (w. piccolo may)p10-12jedna bilionowa femto (du. femten pitnacie)f10-15jedna biliardowa atto (du. atten osiemnacie)a10-18jedna trylionowa zepto (ac. septem - siedem)z10-21jedna tryliardowa jokto (gr. okto - osiem)y10-24jedna kwadrylionowa 6 1.WSTP Termodynamika jako dzia mechaniki jest dyscyplinpodstawow w technicecieplnej, obejmujcnietylkoenergetykciepln(koty,turbiny,maszynyparowe,pompy),lecz takeinnedziedzinygospodarki,jakchodnictwo,kriotechnik.silnikiwewntrznego spalania itp. Klasyczntermodynamikrwnowagowdzielisinateoretyczn,techniczn ichemiczn;dwieostatniestermodynamikamistosowanymi,gdyoprczpodstaw teoretycznych obejmuj podstawy zastosowa w technice i chemii.Sposbopisywaniazjawiskwtermodynamicemoebystatystycznylub fenomenologiczny. Zjawiska termodynamiczne, zachodzce w orodkach cigych, zazwyczaj s opisywane wsposbfenomenologiczny,wynikajcybezporedniozdowiadczenia.Zjawiskate mona opisywa take w sposb statystyczny. Orodki skadajce si z niewielkiej iloci drobinluborodkioichniezbytduejgstocilepiejopisywazapomocmetod statystycznych.Wtymprzypadkusprawdzeniudowiadczalnemupodlegawynik rozwaa statystycznych. PodstawoweprawatermodynamikisznaneodXIXw.wpostacipierwszej,drugiejitrzeciejzasady.Wprowadzonopniejtakenazwzerowejzasadytermodynamikina okrelenierelacjiwyrwnywaniatemperatury.Jakoczwartzasadtermodynamiki uznaje si obecnie zasad wzajemnoci Onsagera.Podstawowepojciajakooczywisteprzyjmujesibezdowodu.Ujcia,ktrew pewnym zakresie s charakterystyczne dla prawie kadegoautora, oraz aksjomatyka, dotyczrozwojustronyformalnejtermodynamiki.Rozwjmerytorycznypolegana poznawaniu nowych praw i ustalaniu nowych zalenoci w podstawach i zastosowaniach termodynamiki. Nazwa termodynamika wywodzi si od greckich sw: o (ciepy) i (sia); wprowadzonojdonaukiwtedy,gdynieodrnianopojciapracyjakoskutkudziaania siy od samej siy i okrelano tym samym terminem.Urzdzenia(siownie,chodziarki,sprarki,pompy,piece,wymiennikiciepa,silnikiiinnemaszyny),ktrychdziaaniezwizanejestzciepemiprac,nazywasi urzdzeniamitermodynamicznymi.Poniewajestcisyzwizekmidzyciepem,praca energi, przeto uywa si take okrelenia urzdzenia energetyczne.Wewspomnianychurzdzeniachczynnrollubrolporednikawprzekazywaniu energiiodgrywatzw.czynniktermodynamiczny,ktrymmoebydowolneciao rzeczywiste,zwyklejednakciaopynne,tj.gazlubciecz.Dlategowielemiejsca powica si na poznanie praw zalenoci i waciwoci tych czynnikw. Okrelenia podstawowe Otaczajcynaswiatzbudowanyjestzmaterii.Materiposiadajcmas spoczynkownazywasisubstancj,ailooznaczasiliterG.Materinieposiadajc masyspoczynkowejnazywasimateripolow,(np.fotonypromieniowania elektromagnetycznego). Ilosubstancjimonamierzyilociczsteczek-molemlubmasspoczynkow znajdujc si w znormalizowanych warunkach termicznych (tzw. kilogramem). 7 Poniewawtechnicespotykasiprdkocinieprzekraczajce1/100prdkociwiata,aznormalizowanewarunkitermiczneniemajpraktyczniewpywunamas,wic praktycznie ilo G substancji rwna si iloci mmasy. Wtermodynamicewystpujoznaczenia,ktreodbiegajodstosowanychwinnych dziedzinachnaukiiztegowzglduwymagajoddzielnegoomwienia.Wielkoci dotyczce caego ciaa s oznaczane duymi literami alfabetu, np.V, Q,U, Iitp. Wielkoci zalene od iloci substancji, tzw. wielkoci ekstensywne odniesione doilocim substancji ciaa,soznaczoneliteramimaymi,np.:=V/m,q=Q/m,u=U/m,i=I/mitp.imajdodatkoweokreleniewielkociwaciwych,np. -objtowaciwa,i-entalpia waciwazwyjtkiemq,ktrenazywasiciepemjednostkowymalbokilogramowymze wzgldunato,eterminciepowaciwe"jestpowszechnieuywanydookreleniainnej wielkoci termodynamicznej. Jeelidanawielko,zalenaodczasu,jestdoniegoodniesiona(podzielona),to zwykleokrelasijjakostrumietejwielkocilubjejnatenieioznaczakropk (apostrofem-jakpochodnpoczasiewmatematyce),np.:Q=Q/strumieciepa,I- strumieentalpii,V-strumieobjtocilubobjtociowenatenieprzepywu,m = m/ strumie masy lub natenie przepywu masy. W tabeli1.1zestawiono oznaczenia i jednostki podstawowych wielkoci fizycznych stosowanychwtermodynamice.Podanotakem.in.uwagidotyczcestosowanej terminologii, ktra w dziedzinie termodynamiki nie zawsze jest jednolita. Tab. 1.1. Oznaczenia i wielkoci podstawowe Wielko fizyczna SymbolJednostka podstawowa Jednostki pochodne Uwagi ciepoQ q=Q/m Q=Q/ J J/kg W kJ kJ/kg kW q ciepo jednostkoweQ strumie ciepa pracaLJkJ, Wh energiaEJkJ mocNWkW czasshh hora (godzina) masamkgMg siaKNkN objtoV =V/m V m3 m3/kg m3/s objto waciwaobjtociowe natenie przepywucinieniepPaMPa temperaturaTKC 8 I.ZAGADNIENIA PODSTAWOWE 2.POJCIA PODSTAWOWE2.1. Znamiona stanu Do okrelenia jakiego ciaa i odrnienia go od innych, uywa si cech tego ciaa, czyli jego znamion, np. dugoci, szerokoci, barwy, temperatury, cinienia, zapachu itp. Wrdwymienionychznamionmonawyodrbnitakie,ktremonawyrazi liczbowo,np.dugo,szeroko,temperatura,cinienieitp.-znamionatenazywasi znamionamiilociowymi-sonewielkociami.Pozostaeznamiona,niedajcesiwyrazi liczbowo,np.ksztat,zapach,barwa,nazywasiznamionamijakociowymi-tenies wielkociami. Wrdznamionilociowychmonawyrnitakie,ktrenieulegajzmianie,np.staa gazowa,liczbamolowaoraztakie,jaknp.cinienie,temperatura,objto,ktremog ulegazmianom.Znamionailociowezdolnedozmianyodgrywajwanrolw okrelaniu stanu danego ciaa i dla podkrelenia tej ich cechy nazywane sznamionami stanu. Odwuciaachmwisi,eswtakimsamymstanie,jelizespwszystkich znamionstanuokrelajcychteciaajestodpowiedniotakisam,czylimona powiedzie, e stan ciaa jest okrelony przez zesp znamion stanu. Znamionastanutraktowanewdanymzagadnieniujakozmienneniezalene nazywa si parametrami stanu, a znamiona zalene funkcjami stanu. Nie wszystkie znamionastanusodsiebieniezalene.Okrelajcdowolnystanciaamona dobradowolnietylkopewnokrelonliczbznamionstanu,pozostae znamionasjuodnich zalene.T minimaln liczb parametrw stanu, ktr w celuokreleniadowolnegostanumoemydobraniezalenie,nazywasi zupenymukademparametrwstanu(np.dlagazudoskonaegozupenym ukadem parametrwstanu jest ukadp-,T-s,lubi-s).Funkcjstanuwyraon zapomoczupenegoukaduparametrw stanu nazywa si rwnaniem stanu (np. dla gazu doskonaego =RT/p). 2.2 Cinienie Bardzowanymznamieniemstanujestcinienie.Jelinacisknajak powierzchniFoznaczyprzezK,tomiejscowecinieniepmonawyrazi wzorem:dFdKp = (2.1) Jeli nacisk jest rozoony rwnomiernie, to cinienie p mona okreli wzorem:FKp = (2.2) Podstawowjednostkcinieniajest1Pa(paskal),czyli1N/m2.Jestto jednostkazbytmaadookreleniawikszociciniewystpujcychwtechnice, stosujesiwicjejwielokrotnonp.megapaskal(1MPa=106Pa).Jakojednostk pomocnicz stosuje si1 bar = 105 Pa.Zewzgldunapowszechnestosowanieprzyrzdwpomiarowych,tzw. manometrw rnicowych, gdzie cinienie okrela si za pomoc rnicy poziomw cieczy 9 manometrycznej,dopuszczasiwyraeniecinieniawmmsupacieczy.Cinienietak wyraone oznacza si przez h, z wyjtkiem, gdy wyraa ono wysoko cinienia otoczenia, tzw.cinieniebarometryczne;wtedyoznaczasijeprzezb.Cinieniesupa1mmHgotemperaturze0Cprzynormalnymprzyspieszeniuziemskimoznaczasiczstojako1 Torr (od nazwiska Torricelli). Wartozmierzonegocinieniazaleynietylkoodstanuczynnika,aletakeod warunkw, w jakich zosta przeprowadzony pomiar.Cinienie zmierzone za pomoc przyrzdu zwanego manometrem pm okrela relacje pomidzy p i po:pm = p po