of 40 /40
Termodynamiczne Podstawy Inżynierii Cieplnej Wykład 2 Zasady Zachowania

Wykład 2 Zasady Zachowania

  • Author
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Wykład 2 Zasady Zachowania

Slajd 1ciepa
energii, jego pojawieniu si musi
towarzyszy dostarczenie energii.
swojego dziaania ciepo, pracuje
zgodnie z ow zasad.
moe ani powstawa, ani zanika, moe
jedynie przeistacza si z jednej postaci
w drug.
pobierania energii z zewntrz.
I Zasada Termodynamiki
Ciepo dostarczone do ukadu zuywa si na zwikszenie jego energii wewntrznej i na wykonanie przez ukad pracy przeciwko siom zewntrznym
Q dU L
I Zasada Termodynamiki
Konsekwencje:
• Energia wewntrzna ukadu jest funkcj stanu, a wic nie zaley od drogi przemiany.
• Ukad nie zawiera ani ciepa ani pracy.
• Ciepo i praca s sposobami przekazywania energii pomidzy ukadami lub ukadem i otoczeniem (naley je wyraa w takich samych jednostkach - w ukadzie SI jest ni 1J=1Ws=1Nm).
• Energia ukadu zamknitego, który nie wymienia ciepa ani nie wykonuje pracy, nie zmienia si ΔU=0.
Jeeli zastosuje si równania bilansu energii do czynnika zamknitego w nieruchomym
systemie termodynamicznym to mona zauway, e ciepo doprowadzone z zewntrz
jest równe sumie przyrostów energii wewntrznej systemu i pracy zewntrznej
wykonanej przez system.
Równanie jest matematycznym wyraeniem I Zasady termodynamiki, z której wynika
midzy innymi, e przyrost energii wewntrznej systemu nastpuje w wyniku
doprowadzenia ciepa i pracy z zewntrz. Praca na pokonanie oporów wewntrznych,
takich jak np. tarcie czy opór elektryczny jest identyczna w skutkach z doprowadzaniem
ciepa z zewntrz do ukadu.
Z tej przyczyny mówi si o cieple tarcia, cieple Joule'a i innych wielkociach, które
mona ogólnie nazwa ciepem rozpraszania pracy:
I Zasada Termodynamiki – zapis matematyczny
1,2 2 1 1,2z z Q U U L
1,2 1,2 0
Ciepo powstajce na skutek rozpraszania (dyssypacji) pracy wewntrz ukadu jest dla
procesów nieodwracalnych dodatnie, a dla przemian odwracalnych równe zeru, co jest
istotne dla sformuowania drugiej zasady termodynamiki.
Suma zewntrznego ciepa systemu i ciepa rozpraszania pracy jest nazywana
cakowitym ciepem systemu:
Po dodaniu stronami równa otrzymuje si równanie wyraajce pierwsz zasad
termodynamiki zawierajce cakowite ciepo i cakowit prac ukadu:
I zasada Termodynamiki
1,2 2 1 1,2 Q U U L
Posugujc si pojciem pracy technicznej powizanej z pojciem pracy cakowitej systemu zalenoci:
równanie wyraajce pierwsz zasad termodynamiki mona przedstawi równie w postaci:
gdzie entalpia okrelona jest przez równanie:
I Zasada Termodynamiki
1,2 2 1 1 2t Q H H L

Dla przemian równowagowych, w których wystpuje jedynie praca zmiany cinienia,
praca techniczna bywa przedstawiana w postaci cakowej:
Praca techniczna jest dodatnia przy rozpraniu (dp< 0), a ujemna przy spraniu
(dp> 0).
Na wykresie o wspórzdnych p-V praca techniczna przemiany równowagowej jest
przedstawiona przez pole zawarte midzy lini przemian jej skrajnymi odcitymi i osi
rzdnych.


Zewntrzne ciepo przemiany jest powizane z zewntrzn prac techniczn przez
równanie wyraajce pierwsz zasad termodynamiki w postaci:
Po uwzgldnieniu, e praca rozpraszana wewntrz ukadu jest równa ciepu
rozpraszania pracy (np. ciepu tarcia) oraz przejciu na wielkoci waciwe, otrzymuje
si czsto stosowane równanie w analizie obiegów rzeczywistych:
I Zasada Termodynamiki

1,2


Wedug umowy technicznej (Clausiusa) pierwsza zasada termodynamiki jest zapisywana:
W umowie tej praca absolutna jest dodatnia podczas ekspansji, za praca techniczna w czasie rozprania:
i odwrotnie:
Prac uwaa si za dodatni, jeli wykonana jest przez czynnik termodynamiczny lub system, na korzy otoczenia i odwrotnie – prac uwaa si za ujemn, jeli wykonuje j otoczenie nad czynnikiem termodynamicznym.
I Zasada Termodynamiki – sposoby zapisu
~1,2 2 1 ~1,2 ~1,2 2 1 ~ 1,2 ;
t Q U U L Q H H L
~1,2 ~ 1,2 0 0; 0 0
t L dV L dP
~1,2 ~ 1,2 0 0; 0 0
t L dV L dP
Umowa techniczna
Wedug umowy fizycznej (Plancka) pierwsza zasada termodynamiki jest zapisywana:
W tym zapisie, praca absolutna uwaana jest za dodatni, jeli czynnik podlega
kompresji:
Podobnie praca techniczna jest dodatnia, gdy czynnik podlega spraniu z kompresj
lub bez kompresji (izochora)
Praca zarówno absolutna jak i techniczna uwaana jest za dodatni, jeli otoczenie
wykonuje prac na korzy czynnika i odwrotnie. Wybór jednej czy drugiej umowy nie
ma istotnego znaczenia dla wyników oblicze, naley tylko wybranej umowy
konsekwentnie przestrzega.
W chodnictwie dla wygody zapisu niektórych formu przyjto umow fizyczn.
Praca wykonywana na korzy urzdze chodniczych przyjmuje znak dodatni.
I Zasada Termodynamiki – sposoby zapisu Umowa fizyczna
~1,2 ~1,2 2 1 ~1,2 ~t1,2 2 1 Q ; QL U U L H H
~ 1,2 ~ 1,2 0 0; 0 0
t t L dP L dP
~ 1,2 0 0
0 0 t
Opisuje przypyw ciepa i jego kierunek.
Ciepo zawsze przepywa od ciaa o wyszej temperaturze do ciaa o temperaturze
niszej.
• Wszystkie zjawiska przyrodzie, obejmujce dostatecznie du liczb czsteczek, przebiegaj w jednym kierunku, którego nie mona odwróci.
• Dwa gazy lub dwie ciecze po zmieszaniu nie rozdziel si samodzielnie.
• Tylko cz energii wewntrznej mona zamieni na mechaniczn. Cz trzeba odda do otoczenia (silnik Carnota).
• Gaz samoistnie rozpry si z jednego do drugiego pustego naczynia. Sam nie wróci do pierwszego.
II Zasada Termodynamiki
• W ukadzie termodynamicznie izolowanym w dowolnym procesie entropia nigdy nie maleje
oraz
0S
• Nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem byoby pobranie ciepa ze zbiornika chodniejszego i przekazanie go do zbiornika cieplejszego (nie jest moliwe zbudowanie idealnej maszyny chodzcej).
• Nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem byoby pobranie ciepa ze zbiornika i cakowita zamiana tego ciepa na prac mechaniczn.
II Zasada Termodynamiki
• Nie moliwe jest zbudowanie silnika termodynamicznego pracujcego cyklicznie, który cae pobrane ciepo zamieniaby na prace (nie jest moliwe zbudowanie idealnego silnika cieplnego - czyli perpetuum mobile drugiego rodzaju).
• Entropia ukadu izolowanego nie maleje.
II Zasada Termodynamiki
II Zasada Termodynamiki
W przyrodzie wszystkie przemiany s zasadzie nieodwracalne, np. ze wzgldu na obecno tarcia, a wic entropia wszystkich rzeczywistych ukadów ronie. Procesy, w których entropia ukadu zachowuje staa warto, zawsze s idealizacj.
W silniku idealnym wszystkie przebiegajce procesy s odwracalne i nie ma strat zwizanych z niepodanymi przemianami energii (tarcie, turbulencje).
Mona analizowa prac silników rzeczywistych na podstawie dziaania silnika idealnego.
II Zasada Termodynamiki - wzrostu entropii
Zasada wzrostu entropii:
podczas przemian odwracalnych nie zmienia si.
Dowolny ukad termodynamiczny wraz z otoczeniem stanowi ukad odosobniony, który jest szczególnym przypadkiem ukadu adiabatycznego, gdy brak jest nie tylko wymiany ciepa, lecz i wszystkich innych oddziaywa zewntrznych.
Do tego przypadku mona równie zastosowa zasad wzrostu entropii w postaci:
Suma entropii wszystkich cia biorcych udzia w zjawisku podczas przemian nieodwracalnych
wzrasta, a podczas przemian odwracalnych nie zmienia si.
II Zasada Termodynamiki - wzrostu entropii
dQ – róniczka zupena
Powysze równanie wyraa II zasad termodynamiki dla systemów równowagowych i procesów odwracalnych.
Dla procesów nieodwracalnych w zewntrznym adiabatycznym systemie entropia bdzie wzrasta:
0
0
Egzergia – maksymalna praca, jak ukad
termodynamicznie otwarty moe wykona w danym
otoczeniu przechodzc do stanu równowagi z
otoczeniem. Otoczenie traktuje si jako zbiornik
nieuytecznej energii i materii o staej temperaturze.
Maksymaln energi uzyskuje si w procesie
odwracalnym.
jest rodzajem energii, która moe suy jako zapas
energii; cechuje j ilo i jako; ulega zniszczeniu, gdy
jest wykorzystywana.
„temperatury otoczenia”. Sprawno egzergetyczna
Energia cieplna = egzergia + anergia
Energi ciepln dzieli si (umownie) ze wzgldu na uyteczno na egzergi i energi.
Egzergia jest to cz energii cieplnej dajca si nieograniczenie zamieni na inny
rodzaj energii.
Z pierwszej zasady termodynamiki wynika, e w zamknitym systemie suma
egzergii i energii pozostaje staa.
Ea +Ba = const
Pompy ciepa 25
przykadzie przemiany izobarycznej
Rys. Egzergia i anergia na wykresie T-S
T punktu pracy
Poziom temperatury, przy którym przebiega proces ma wyrany wpyw na udzia
egzergii i anergii. Czym blisza jest ta temperatura temperaturze otoczenia, tym
mniejszy jest udzia egzergii i tym wikszy udzia anergii.
Pompy ciepa 26
pomieszczenia do otoczenia przepywa pewien strumie ciepa, który zaley od
izolacyjnoci cian i rónicy temperatur pomidzy pomieszczeniem i otoczeniem.
Na poziomie temperatury otoczenia cae ciepo przepywajce przez ciany jest
czyst anergi. W pomieszczeniu musi skada si ono w czci z egzergii, bo
temperatura pomieszczenia ley powyej temperatury otoczenia. Przy przejciu
przez ciany ilo egzergii spada, bo spada równie temperatura.
Pompy ciepa 28
egzergii doprowadzonej do systemu.
powietrza w odniesieniu do doprowadzanej egzergii pierwotnej.
Mona przyj, e sprawno egzergetyczna okrela tzw.
stopie niedoskonaoci lub jakoci procesu w
porównaniu z idealnym odwracalnym procesem
termodynamicznym. Oczywicie w rzeczywistych
mniejsza od jednoci
pomidzy temperaturami T1 i T2 do sprawnoci cyklu
Carnota dla tych temperatur;
Pompy ciepa 29
III Zasada Termodynamiki
jest okreleniem minimalnego stanu do jakiego moemy doprowadzi ciao poprzez jego chodzenie. Mówi nam ona, i nie moemy tak schodzi danego ciaa aby osigno ono temperatur 0 K.
Entropia zalena jest od temperatury oraz od innych zmiennych parametrów ukadu, tzn. S=S(T,X), gdzie parametr X okrela fizyczna wasno ukadu, której zmiana w pewnych granicach pociga za sob zmian entropii.
Nie jest moliwe osignicie temperatury zera bezwzgldnego (absolutnego), czyli 0 K.
III Zasada Termodynamiki
Wszystkie substancje charakteryzuje pewien stopie termicznego nieuporzdkowania w temperaturach przekraczajcych T=0 K. Wynika z tego, e entropia jakiejkolwiek substancji w temperaturze pokojowej jest wiksza od zera, tzn. wszystkie entropie bezwzgldne s dodatnie.
Zalenoci entropii krysztau doskonaego od temperatury dla dwu rónych cinie p1 > p2.
Przemiany dla odcinków pionowych odpowiadaj izotermom, wzdu poziomych adiabatom. Powtórzenie sekwencji rozprania adiabatycznego i sprania izotermicznego powoduje hipotetyczne obnienie temperatury, jednak nie mona osign temperatury 0 K wykonujc skoczon liczb kroków. Z termodynamicznego punktu widzenia temperatura zera bezwzgldnego jest nieosigalna.
Alternatywne sformuowania III ZT
wyidealizowania, sprowadzenie dowolnego
poprzez skoczony cig dziaa.
wyidealizowania, sprowadzenie wartoci
bezwzgldnego poprzez skoczona liczb
dy do 0 K.
Kady ukad izolowany, niezalenie od stanu pocztkowego, dochodzi po pewnym czasie do stanu równowagi termodynamicznej.
Warunkiem równowagi termodynamicznej jest wystpowanie równowagi chemicznej, mechanicznej i termicznej.
Osigniecie stanu równowagi zajmuje pewien czas zaleny od stanu pocztkowego i od warunków oddziaywania czci skadowych ukadu.
Zerowa Zasada Termodynamiki
kierunek przepywu energii cieplnej.
Wszystkie ukady, które s
temperatur.
przepyw ciepa. Ukady bd ze
sob równowadze
Chodnictwo i Kriogenika 35
Pojcia i definicje. Co wynika z I i II Zasady termodynamiki?
Obnianie temperatury cia wskutek ich wspódziaania z naturalnym lub sztucznym otoczeniem zwizane jest ze zmniejszeniem ich energii termodynamicznej U (T, xi).
Zgodnie z pierwsz zasad termodynamiki
czyli
Spadek energii, i w konsekwencji temperatury (T1,-T2,) > 0, moe by uzyskany w najprostszym przypadku bez wykonywania pracy i bez procesów fizykochemicznych, czyli gdy W~1,2 = 0 i odpowiednio
tylko wskutek wspódziaania termicznego, zwanego przekazywaniem ciepa. Jest to - innymi sowy - chodzenie izochoryczne:
212121 ,~,~ WQuu
2121 ,vQUU
Najczciej w procesie zmiany temperatury uczestniczy zespó cia, w którego skad wchodz:
ciao, którego temperatur naley obniy/ podwyszy ,
ciao robocze, np. czynnik obiegowy,
ciao poredniczce w wymianie ciepa,
otoczenie (substancje otoczenia naturalnego).
Jeli w procesie obniania lub utrzymywania temperatury jakiego ciaa uczestnicz tylko substancje otoczenia naturalnego, np. pyny, to taki sposób realizacji procesu nazwiemy chodzeniem naturalnym lub krótko – chodzeniem.
Jeli natomiast w procesie obnienia lub utrzymywania temperatury ciaa uczestnicz substancje o temperaturze obnionej, w stosunku do temperatury otoczenia naturalnego, w sposób sztuczny, np. przez realizacj lewobienego obiegu termodynamicznego, to taki sposób nazwiemy chodzeniem sztucznym lub krótko – zibieniem
otoczenia naturalnego, chodzeniem naturalnym lub krótko – chodzeniem.
obnienia temperatury ciaa
zibieniem.
Istotn rol w dziaaniu zibiarki speniaj pyny, uczestniczce w realizacji procesów obiegu zibniczego, zwane czynnikami chodniczymi, do których s zaliczane:
czynniki termodynamiczne obiegowe, których przemiany skadaj si na termodynamiczny obieg zibienia, nazywane czynnikami zibniczymi lub zibnikami, np. R22, NH3, R134a, R504, CO2;
czynniki poredniczce w przekazywaniu ciepa, krce midzy czynnikami obiegowymi a ozibianym ciaem, zwane solankami lub ogólniej zibiwami, np. roztwór wodny CaCl2, ozibiana woda lub MgCl2.
czynniki chodzce stosowane do chodzenia, czyli do odprowadzania ujemnego ciepa obiegu, zwane chodziwami, np. woda chodzca skraplacz, powietrze chodzce sprark zibnicz, itp.
czynniki termodynamiczne obiegowe, zibnikami,
Technologie chodnicze umoliwiaj znaczne przeduenie czasu przechowywania ywnoci w sposób zapewniajcy zachowanie jej odywczych, smakowych, aromatycznych i innych waciwoci. Aby te wymagania mogy by spenione konieczne jest zapewnienie tzw. „acucha chodniczego konserwacji ywnoci”.
acuch chodniczy tworz takie obiekty chodnicze jak chodnie, przetwórnie, obiekty transportowe, lady chodnicze, chodziarki, termobagi- torby termiczne; chodziarki kempingowe lub zamraarki domowe. Kady z tych obiektów skada si z wielu elementów konstrukcyjnych w tym, przede wszystkim elementów typowo chodniczych.
Odpowiednie temperatury wewntrz tych obiektów zapewniaj systemy zibienia, w skad których wchodz maszyny i urzdzenia, suce do sztucznego chodzenie, czyli zibienia. Kompletne urzdzenie do sztucznego chodzenia, zainstalowane wewntrz obiektów, s nazywane
instalacjami chodniczymi,
urzdzeniami zibniczymi,
Nauce zajmujcej si zakresem bardzo niskich temperatur nadano nazw kriologia, a technice osigania tych temperatur kriogenika.
Sowo kriogenika pochodzi od sów greckich „kruos”, co oznacza „zimno” i „genos” – „pochodzenie” lub „tworzenie”. Pojcie to stosuje si na okrelenie metod uzyskiwania i wykorzystywania temperatur niszych od 120 K, a dokadnie 111,1 K, tj. temperatury wrzenia metanu pod cinieniem normalnym. Temperatura wrzenia ciekego metanu jest umown granic wyodrbniajca kriogenik z chodnictwa i zaproponowan przez XIII Midzynarodowy Kongres Chodnictwa w 1971 roku.
Uzyskanie niskich temperatur zawsze zwizane jest z nakadem energii w postaci mechanicznej, elektrycznej, chemicznej lub magnetycznej.
Obecnie dostpne technologie pozwalaj osign niskie temperatury rzdu 10-8 K (adiabatyczne rozmagnesowanie jder miedzi), czy nawet 10-9 K (chodzenie laserowe atomów obojtnych prowadzce do powstania kondensatu Bosego-Einsteina), jednak praktyczne znaczenie maj temperatury wysze, uzyskiwane przez odparowanie skroplonych gazów pod cinieniem normalnym, równe np. 4,2 K dla helu, czy 77,4 K dla azotu.
Pytania Wykad 2.
1. Podaj I zasad termodynamiki w zapisie i formie stosowanym w technice chodniczej.
2. Czego dotyczy II zasada termodynamiki ?
3. Co to jest egzergia i sprawno egzegetyczna.
4. Czy moliwe jest osigniecie temperatur O 0 K ?
5. Zasada wzrostu entropii.