sciaga Technika_cieplna.doc

1.

Otoczenie termodynamiczne , to wszystko co nie należy do układu termodynamicznego, teoretycznie cały Wszechświat.

Układ termodynamiczny fragment rzeczywistości wyodrębniony od otoczenia za pomocą osłony bilansowej . Typowe układy termodynamiczne to np. wnętrze silnika, naczynie z gazem lub cieczą, w którym zachodzi jakaś interesująca przemiana

Dzięki ograniczeniu danego zjawiska do układu można osobno rozpatrywać procesy wewnątrz układu i procesy wymiany energii między układem i otoczeniem,

Układy termodynamiczne dzieli się na:

A otwarte - wymienia z otoczeniem energię i masę,

B zamknięte - wymienia z otoczeniem energię, nie wymienia masy,

C izolowane - nie wymienia z otoczeniem ani energii ani masy.

D adiabatyczny-nie wymienia ciepła z otoczeniem

Osłona bilansowa- Stanowi granicę pomiędzy układem a otoczeniem. Jej wielkość, kształt i położenie mogą ulegać zmianie. Umożliwia kontrolę ilości energii i substancji przepływających pomiędzy układem a otoczeniem.

2.

Parametry stanu –   wielkości fizyczne opisujące stan układu termodynamicznego takie jak: temperatura, ciśnienie, objętość, ilości (np. stężenia) poszczególnych substancji. Są to wielkości fizyczne A. bezpośrednio mierzalne, B. niezależne od historii układu, od stanu aktualnego. C. ich różniczki są różniczkami zupełnymi. Wielkości, które nie zależą od ilości substancji w układzie, to tzw. parametry intensywne, natomiast wielkości zależące od ilości substancji to parametry ekstensywne.

Parametry ekstensywne – proporcjonalne do ilości materii w układzie: masa  objętość

Parametry intensywne – niezależne od ilości materii w układzie: temperatura ciśnienie ułamek molowy

JEDNOSTKI CIŚNIENIA

Paskal – jednostka ciśnienia (także naprężenia) w układzie SI .[1 Pa =

1 kg·m-1·s-2 = 1 N/m2]

hPa – hektopaskal (100 Pa).

Bar (bar) – jednostka miary ciśnienia w układzie jednostek CGS określoną jako 106dyn/centymetr2.

1 bar = 105 Pa

Atmosfera techniczna (at) – poza układowa jednostka miary ciśnienia powszechnie używana w technice. Odpowiada ciężarowi jednego kilograma rozkładającemu się na jeden cm² lub naciskowi 10 metrów słupa wody

1 at = 98066,5 Pa

Tor (Tr, mm Hg) – poza układowa jednostka miary ciśnienia równa ciśnieniu słupa rtęci o wysokości jednego milimetra w temperaturze 273,15 K (0°C), przy normalnym przyspieszeniu ziemskim. 1 Tr = 1 mm Hg = 1/760 atm = 133,3224 Pa

JEDNOSTKI TEMPERATURY

Kelwin – jednostka temperatury w układzie SI równa 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody, oznaczana K. Temperatura 0 K jest równa temperaturze -273,15 °C. Ponieważ skala Kelvina oparta jest na skali Celsjusza , temperaturę w kelwinach otrzymujemy przez dodanie do liczby wyrażonej w stopniach Celsjusza stałej 273,15:

Skala Celsjusza - stopień skali Celsjusza zdefiniowany był jako jedna setna różnicy temperatur topnienia lodu i wrzenia wody przy ciśnieniu normalnym jednej atmosfery fizycznej. Zero na skali Celsjusza przyporządkowano temperaturze topnienia lodu. 100 stopniom Celsjusza odpowiadała temp. wrzenia wody w warun. norm.

Skala Fahrenheita to jedna ze skal pomiaru temperatury (skala termometryczna) stosowana w niektórych krajach anglosaskich.

TF=32+9/5*Tc

Tc=5/9*(TF-32) 

3.

Masa:

m[kg] – masa spoczynkowa

n[kmol] – masa cząsteczkowa

1 mon substancji gazu doskonałego oznacza ilość cząsteczek wyrażaną liczbą

Avogadro = 6.0221479 x 1023 [mol]

m = n x M  M –Masa cząsteczkowa [kg/kmol] [g/mol]

Objętość:

Vn [m3n]

Jeden [m3n] normalny jest to taka ilość substancji gazu doskonałego która w warunkach normalnych zajmuje objętość 1m3. Warunki normalne: Tn=273,15[k]=[0]OC , pn=101325[Pa] , pnsi=0.1[Mpa]=100000[Pa]

1[kmol] = 22,71[m3nsi]; 22,42[m3n]

Gęstość:

4.

Równanie Clapeyrona, równanie stanu gazu doskonałego to równanie stanu opisujące związek pomiędzy temperaturą, ciśnieniem i objętością gazu doskonałego, a w sposób przybliżony opisujący gazy rzeczywiste.

Równanie to jest wyprowadzane na podstawie założeń:

1) gaz składa się z poruszających się cząsteczek;

2) cząsteczki zderzają się ze sobą oraz ze ściankami naczynia w którym się znajdują;

3) brak oddziaływań międzycząsteczkowych w gazie, z wyjątkiem odpychania w momencie zderzeń cząsteczek;

4) objętość (rozmiary) cząsteczek jest pomijana;

5) zderzenia cząsteczek są doskonale sprężyste;

Z równania tego wynikają trzy wnioski: n moli (taka sama liczba cząstek) gazu, przy danej temperaturze i ciśnieniu panującym w naczyniu zajmuje zawsze taką samą objętość, niezależnie od budowy chemicznej tego gazu (V = nRT/p).

W danej objętości, przy danym ciśnieniu i temperaturze, znajduje się zawsze taka sama liczba moli cząsteczek gazu, niezależnie od jego budowy chemicznej (n = pV/RT)

n moli gazu zamkniętych w naczyniu o określonej objętości, przy określonej temperaturze, będzie wywierał na jego ścianki zawsze jednakowe ciśnienie, niezależnie od tego, jaki to jest gaz (p = nRT/V).

Przemiany termodynamiczne: przemiana izobaryczna (stałe ciśnienie p = const) przemiana izotermiczna (stała temperatura T = const) przemiana izochoryczna stała objętość V = const),

przemiana adiabatyczna (brak wymiany ciepła z otoczeniem Q = 0)

przemiana politropowa (pVn = const, gdzie n – wykładnik politropy).

Równanie stanu – dla każdej substancji istnieje równanie konstytutywne które określa zależności pomiędzy parametrami stanu. W termodynamice przyjmuje się najczęściej zero wymiarową postać równania stanu ze względu na to że dla płynów naprężenia ścinające są małe, a ponadto płyny mają zwykle izotropowe własności. f(p,v,T)

Rozszerzalność termiczna  

Jest to względna rozszerzalność objętościowa pod wpływem temp. przy stałym cisnieniu

Współczynnik rozprężliwości-

Określa on zmiane ciśnienia względnego pod wpływem temp przy stałej objętości. Dla ciał stałych zmierza do nieskończoności.

Współczynnik ściśliwości-     

Określa on względną zmianę objętości pod wpływem zmiany ciśnienia przy stałej temp. dla cieczy i ciał stałych WSP ściśliw dąży do zera.

Współczynnik Poissona - w termodynamice wielkość równa stosunkowi ciepła właściwego w przemianie izobarycznej do ciepła właściwego w przemianie izochorycznej. Występuje jako parametr w prawie Poissona opisującym przemianę adiabatyczną gazu doskonałego.

Współczynnik Poissona często nazywany jest kappą, od nazwy greckiej litery, którą w Polsce jest najczęściej oznaczany.

Cp - ciepło molowe w przemianie izobarycznej

Cv - ciepło molowe w przemianie izochorycznej

Κ - współczynnik Poissona 

5.

Równowaga termodynamiczna – pojęcie stosowane w termodynamice. Oznacza stan, w którym makroskopowe parametry układu, takie jak ciśnienie, objętość i wszystkie funkcje stanu, są stałe w czasie. Na równowagę termodynamiczną składają się: równowaga chemiczna (brak makroskopowego przepływu cząstek i reakcji chemicznych), mechaniczna (nie występują niezrównoważone siły) i termiczna (występuje gdy pomiędzy dwoma ciałami nie występuje przepływ ciepła” próżnia nie cha-je się temp, gdyż temp określa stan substancji). Energia układu będącego w stanie równowagi osiąga ekstremum. W zależności od rodzaju ekstremum równowaga może być chwiejna, obojętna, metatrwała lub trwała.Przy równowadze trwałej układ osiąga minimalną energię i maksymalną entropię.

Wszystkie procesy w przyrodzie przebiegają w kierunku osiągnięcia stanów równowagowych. Zwykle układ osiąga stan równowagi po dość krótkim czasie (tzw. czasie relaksacji). Jednak w niektórych przypadkach (np. szkło) ten czas jest praktycznie nieskończony.

6.

Gaz doskonały jest modelem gazu szlachetnego w którym przyjęto następujące założenia:

1.cząstki gazu mają nie skończenie małą objętość

2.brak jest sił oddziaływania między cząsteczkowego

3.atom gazu w drobinie są połączone sztywno

W gazie półdoskonałym odrzuca się ostatnie założenie  przyjmując ze połączenie miedzy atomami w drobinie jest sprężyste

Gazy rzeczywiste  daje się modelować jak doskonałe w zależności od stopnia skomplikowania budowy cząsteczki:

1.gazy szlachetne 1-atomowe można traktować jako doskonałe w szerokim zakresie nawet do kilkunaset MPa

2.gazy 2-atomowe można traktować jako doskonałe w warunkach otoczenia w temp. 100-200C

3.gazy wieloatomowe  już w warunkach otoczenia powinno się traktować jako rzeczywiste gdyż błąd obliczeniowy  modelu gazu doskonałego może być znaczny.

7.

I zasada termodynamiki:

Ilość substancji doprowadzonej jest równa przyrostowi substancji w układzie + substancja wyprowadzona.

Ed= ΔEu +ΔEw     [kJ]  

Bilans energii układu:

E­c=Ek+Ep+U

Rodzaje energii:

- energia kinetyczna układu

- energia potencjalna układu, Ep=mgh

- energia wewnętrzna układu, U=mu=n(Mu)

W układzie izolowanym ilość energii podczas wszystkich jego przemian  pozostaje stała.

Energia jest liczona jako suma wszystkich energii w ukł ∆Eu=∆U+∆Ep+∆Ek+∆Ech+∆Ej

8.

Praca układu nie jest parametrem stanu, a związana jest z przemianami pomiędzy stanami 1 i 2.

Praca bezwzględna

Praca techniczna-

to praca wykonana (pobrana) w jednym cyklu przez idealną maszynę przepływową.

Praca techniczna jest równa sumie algebraicznej prac napełniania, ekspansji i wytłaczania.

Praca użyteczna

Jest to zewnętrzna praca bezwzględna pomniejszona o pracę kompresji otoczenia.

Dla przemian nieodwracalnych  w układzie występuje tarcie. Tarcie to zmniejsza ilość pracy wymienianej z otoczeniem,  wten sposób, że część pracy bezwzględnej układu jest zamieniana na ciepło-tą część pracy nazywamy pracą wewnętrzną. Zamienia się ona na ciepło wewnętrzne i pozostaje w układzie- natomiast pozostała część pracy nazywana jest pracą zewnętrzną i oddawana na zewnątrz układu

9.

Ciepło –to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii układowi termodynamicznemu[ polega na przekazywaniu energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących te układy ,oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energi. Ciepło przepływa między ciałami, które nie znajdują się w równowadze termicznej, tzn. gdy mają one różne temperatury i wywołuje zwykle zmianę temperatury. Ciała te muszą pozostawać ze sobą w kontakcie termicznym –musi istnieć możliwość przepływu ciepła.

Ciepło właściwe – energia podnosząca temperaturę ciała o jednostkowej masie o jednostkę temperatury:

gdzie c – ciepło właściwe; ΔQ – zmiana ciepła (energii); m – masa; ΔT – zmiana temperatury.

W układzie SI jednostką ciepła właściwego jest dżul na kilogram razy kelwin:

Ciepło właściwe jest wielkością charakteryzującą każdą substancję pod względem energetycznym.

10.

FUNKCJA STANU - to w termodynamice funkcja zależna wyłącznie od stanu układu, czyli od aktualnych

wartości jego parametrów, takich jak masa, liczność materii, temperatura, ciśnienie, objętość

i inne.

Wartość funkcji stanu  nie zależy tego co działo się z nim wcześniej.

Zmiana wartości funkcji stanu zależy tylko od stanu początkowego i końcowego układu, a nie od

sposobu w jaki ta zmiana została zrealizowana.

Funkcja termodynamiczna zależna od historii (drogi) układu jest nazywana funkcją procesu

Całka oznaczona różniczki zupełnej funkcji stanu przedstawia różnicę wartości funkcji w stanach

odpowiadających granicom całkowania. Z zasady, że wartość funkcji stanu nie zależy od historii

układu wynika, że całka oznaczona tej funkcji obliczona dla dowolnego zbioru przemian, które

tworzą powtarzalny cykl jest równa 0.