TERMODYNAMIKA - Podstawy

  • View
    255

  • Download
    3

Embed Size (px)

DESCRIPTION

termodynamika

Text of TERMODYNAMIKA - Podstawy

  • 1Termodynamika

    1. Winiewski S.: Termodynamika techniczna, WNT, Warszawa 1980, 1987, 1993.2. Jarosiski J., Wiejacki

    Z., Winiewski S.: Termodynamika,

    skrypt P. d

    1993.3. Zbir zada

    z termodynamiki pod red. T. R. Fodemskiego,

    skrypt P. 1996, 1998

  • 2TermodynamikaTermodynamika

    jest czci

    fizyki zajmujc

    si

    zagadnieniami przemian energetycznych oraz analiz tendencji do zmian stanw rwnowagi (szczeglnie

    stanw rwnowagi cieplnej).Termodynamika zajmuje si

    zjawiskami cieplnymi w

    dostatecznie duych zbiorowiskach czstek materii

    Termodynamika dzieli si

    na:teoretycznchemiczntechniczn

    fenomenologicznstatystyczn

  • 3Termodynamika

    Termodynamika powstaa na gruncie problemw zwizanych z zamian

    ciepa na prac

    (np. silniki cieplne).

    Przedmiotem rozwaa

    bd

    zagadnienia, ktre znajduj zastosowanie w silnikach i urzdzeniach cieplnych tzn zwizane z reakcjami chemicznymi (spalanie) oraz zamian ciepa na prac

    mechaniczn.

  • 4MateriaWszystko co ma mas

    nazywamy materi.

    Materia wystpuje w postaci substancjalnej i polowej (niesubstancjalnej).Substancja to materia o masie spoczynkowej rnej od zera.

    Materi

    nie majcej masy spoczynkowej nazywamy materi polow

    np. fotony.

    Ilo

    substancji uczestniczcej w procesie to podstawowa wielko

    przy opisie tego procesu.

  • 5Czynnik termodynamicznyCzynnik termodynamiczny

    substancja biorca udzia

    w

    procesach termodynamicznych (np. czynnik roboczy, czynnik grzewczy, czynnik chodniczy).

    Ilo

    substancji

    okrelona bezporednio przez liczb czsteczek, a porednio przez liczb

    kilomoli

    lub mas

    normaln

    (w normalnych warunkach energetycznych tj

    w spoczynku i okrelonej fazie oraz np. w normalnych warunkach fizycznych).

  • 6Zasada zachowania iloci substancji

    Zasada zachowania iloci substancji

    polega na tym, e nie zmienia si

    liczba czsteczek w zjawiskach fizycznych oraz

    nie zmienia si

    liczba atomw podczas reakcji chemicznych.

    W zagadnieniach termodynamicznych zasada zachowania

    iloci substancji pokrywa si

    z zasad

    zachowania masy.

  • 7Ukad termodynamicznyUkad termodynamiczny

    obszar materii stanowicy

    przedmiot rozwaa

    w zagadnieniach termodynamicznych wyodrbniony za pomoc

    osony kontrolnej.

    Otoczenie ukadu

    wszystko to co znajduje si

    poza granicami ukadu, a ma bezporedni zwizek z jego zachowaniem si.

    ukad termodynamiczny

    osona kontrolna

    otoczenieukadu

    Wyznaczenie osony kontrolnej (bilansowej) jest konieczne przy sporzdzaniu bilansw iloci substancji, pdu, energii itp.

  • 8Ukad odosobnionyUkad odosobniony

    jest odgraniczony od otoczenia oson

    uniemoliwiajc

    zarwno przepywanie substancji, jak i przenikanie energii (w definicji w ukadzie odosobnionym nie zmienia si

    ilo

    substancji, ilo

    energii oraz ilo

    substancji).

    energia

    substancja

    STOP

    otoczenie ukad

    energia

    substancja

    osona bilansowa

  • 9Rodzaje ukadwZe wzgldu na moliwo

    przepywania substancji przez

    granice ukady dzieli si

    na:zamkniteotwartePrzez granice ukadu jednostronnie otwartego

    substancja

    przepywa tylko w jednym kierunku np. napenianie lub oprnianie zbiornika.

    lub

  • 10

    Ukad przepywowy

    Ukad przepywowy

    jest to taki ukad otwarty, przez ktrego granice przepywa substancja zarwno do wewntrz, jak i na zewntrz.

  • 11

    Ukady termodynamiczneUkad w stanie rwnowagi

    nie moe wykonywa

    pracy w

    stosunku do otoczenia.

    Ukad w stanie ustalonym

    moe wykonywa

    prac

    oraz mog

    w nim wystpowa

    zjawiska rozpraszania pracy.

  • 12

    Osony

    Osona przenikliwa tylko dla takich dziaa

    jak

    praca jest nazywana oson

    adiabatyczn.

    Osona nie pozwalajca na przepyw substancji, a przenikliwa tylko dla dziaa

    innych ni

    praca

    jest nazywana oson diatermiczn.

    ukad termo-

    dynamicznySTOP

    substancja

    np. ciepo

    praca

    praca

    STOPukad termo-

    dynamiczny

  • 13

    Stan termodynamicznyStan termodynamiczny

    substancji, ciaa fizycznego lub ukadu

    termodynamicznego jest okrelony przez zbir jednoczesnych wartoci zdolnych do zmiany wielkoci fizycznych, zwanych parametrami stanu.

    Stan termodynamiczny

    ciaa fizycznego jest okrelony jednoznacznie, jeeli mona z tej samej substancji odtworzy

    to ciao

    w innym miejscu, w sposb wystarczajcy do rozwaa termodynamicznych.

    Stan termodynamiczny

    zmienia si, gdy zmieni si

    warto przynajmniej jednego parametru stanu.

  • 14

    Stan termodynamicznyStan rwnowagi

    powstaje przy braku dziaa

    otoczenia na ukad

    lub znosz

    si

    dziaania otoczenia na ukad o charakterze si

    lub cinie, natomiast brak jest dziaa

    o charakterze przepyww, np.

    substancji, ciepa itp.

    Stan ustalony -

    znosz

    si

    dziaania otoczenia na ukad, zarwno o charakterze si, jak i przepyww.

    Pod wzgldem termodynamicznym istnieje bardzo istotna rnica midzy stanem rwnowagi a stanem ustalonym.

    Ukad w stanie rwnowagi

    nie moe wykonywa

    pracy w stosunku do otoczenia.

    Ukad w stanie ustalonym

    moe wykonywa

    prac

    oraz mog w nim wystpowa

    zjawiska rozpraszania pracy.

  • 15

    Rwnowaga termodynamiczna

    Ukad odosobniony

    -

    cechuje brak oddziaywa

    z otoczeniem. Ukad taki w miar

    upywu czasu samorzutnie osiga stan

    rwnowagi termodynamicznej.

    Rodzaje rwnowagi termodynamicznej rozrniane s

    tak samo jak rodzaje rwnowagi mechanicznej.

    Rodzaje rwnowagi mechanicznej:1-

    metastabilna

    2-

    obojtna3-

    chwiejna

    4-

    trwaa

  • 16

    Parametry termodynamiczne

    Parametry ekstensywne (globalne) s

    okrelone dla

    caej objtoci ciaa. Zale

    od iloci substancji tworzcej ciao

    (oznaczenia due litery alfabetu np. V, U, H).

    Parametry intensywne (lokalne)

    mog

    by

    jednakowe dla caego ciaa lub jego czci, s

    to np. temperatura t, T;

    cinienie p.

    (oznaczenia na og

    mae litery )

    Stan substancji nie moe by

    charakteryzowany za pomoc parametrw ekstensywnych, lecz za pomoc

    utworzonych z nich

    parametrw waciwych, ktre s

    parametrami intensywnymi.

  • 17

    StrumienieStrumienie (natenie przepywu)

    pochodne po czasie.

    oznaczmy je kropk

    nad symbolem

    vmVV == d

    d

    emEE == d

    d AwxAV ===

    dd

    ddV

    dx

    dV

    dwA

  • 18

    Wspzaleno

    midzy wielkociami ekstensywnymi i intensywnymimqQ = mlL = mvV =

    m

    masa [ kg ]Q

    ciepo [ J ]

    q

    ciepo odniesione do 1 kg masy [ J/kg ]L

    praca [ J ]

    l

    praca odniesiona do 1 kg masy [ J/kg ]V

    objto

    [ m3

    ]

    v

    objto

    waciwa [ m3/kg ]

    1==mVv

    gsto

    [ kg/m3

    ]

  • 19

    Rwnanie stanu

    Parametry stanu nie mog

    zmienia

    si

    dowolnie, lecz s

    powizane midzy sob

    zalenociami matematycznymi zwanymi rwnaniami

    stanu.

    Do okrelenia stanu ciaa lub substancji wystarczy zna

    tylko niektre parametry stanu traktowane jako zmienne niezalene.

    Podstawowym rwnaniem stanu dla cia

    prostych jest tzw

    termiczne rwnanie stanu

    f(p, V, T) = 0 tj

    zwizek midzy cinieniem p, objtoci

    V,

    i temperatur

    T.

  • 20

    Zerowa zasada termodynamiki

    Zerowa zasada termodynamiki

    Dwa ciaa znajdujce si

    w rwnowadze termicznej z trzecim

    ciaem s

    take w rwnowadze termicznej midzy sob.

    B C

    AJeeli TA = TB

    i TA = TC

    TB = TC

  • 21

    Jednostki iloci substancjiSubstancja jest materi

    o masie spoczynkowej rnej od zera.

    Podstawow

    jednostk

    iloci substancji jest liczba czsteczek czyli liczba kilomoli

    oznaczamy

    n

    1 mol

    jest tak

    iloci

    substancji, ktra zawiera NA

    = 6,02680.1023 czsteczek (liczba Avogadro)

    1 kilomol

    jest tak

    iloci

    substancji, ktra zawiera NA

    = 6,02680.1026

    czsteczek (liczba Avogadro)

    Ilo

    substancji zawartej w 1 kmolu

    mona wyrazi

    w kg czyli poda

    ilo

    masy M [kg/kmol].

    Ilo

    masy oznaczamy m nMm =

  • 22

    KilomolKilomol

    jest jednostk

    iloci substancji. Masa jednego

    kilomola

    substancji wynosi tyle kilogramw, ile wynosi jej masa czsteczkowa.np.1 kilomol

    wgla C way 12 kg , azotu N2

    28 kg, tlenu O2

    32 kg, dwutlenku wgla CO2

    (12 kg + 32 kg)= 44kg

    1 kmol

    = M kg

    M

    masa czsteczkowa

    m

    masa [ kg]

    n

    liczba kmoli nMm =

  • 23

    Temperatura

    Skala temperatury

    zostaa zdefiniowana za pomoc

    tzw

    punktw staych odpowiadajcych temperaturom punktw potrjnych (stanw rwnowagi trzech stanw skupienia) wodoru, tlenu i wody przy normalnym cinieniu atmosferycznym oraz temperaturze wrzenia wodoru przy cinieniu 33 339,6 Pa.

    Temperatura empiryczna

    okrelona za pomoc

    midzynarodowej praktycznej skali temperatury.

  • 24

    CinienieCinienie

    jest stosunkiem siy F

    wywie