1.Uzasadnić dlaczego w stechiometrii przyjmujemy stałą objętość kilomola dla każdego gazu?

Jeśli do reakcji weźmiemy 1000 moli czyli kilomolcząstek (6,022*1026) to otrzymamy masy w kg

Masa kilomolajest to więc ilość kg danej substancji równa liczbie np. 1kilomol węgla masę 12 kg,

Ponadto prawo AVOGADROdla gazów doskonałych mówi: dla jednakowych ciśnień (p), temperatur (t,T) i objętości (V) -ilość cząstek każdego rodzaju gazu jest równa.

Ponieważ kilomol każdego gazu posiada tą samą liczbę cząstek (6,022*1026) objętość kilo mola każdego gazu jest równa w tych samych warunkach temperatury (T,t) i ciśnienia (p).

Przy ciśnieniu barycznym p=1 bar i t=0°C objętość kilomola każdego gazu wynosi

Vkmol= 22,71 m3

2. Formuła wyznaczania mocy emitowanej przez grzejnik-kaloryfer zasilany wodą sieciową.

1.Kondukcja (przewodzenie) -transfer ciepła przez materiał na skutek wibracji atomów,

2.Konwekcja -transfer ciepła poprzez ruch mas (stałych lub płynnych, zwykle wskutek temperaturowego zróżnicowania gęstości). Naturalna konwekcja: prądy oceaniczne, wiatry, woda w kotle. Wymuszona konwekcja: np. przepływ płynów przez systemy technologiczne wskutek działania pomp

3.Radiacja (promieniowanie) –transfer ciepła poprzez promieniowanie (podczerwone)

Grzejnik (kaloryfer)

woda w grzejniku –grzejnik: konwekcja wymuszona

wewnątrz ścianek grzejnika: kondukcja

ścianki grzejnika-powietrze: konwekcja naturalna

ścianki grzejnika: radiacja

3. Co to jest punkt krytyczny?

Jest to punkt w którym brak jest różnicy pomiędzy własnościami fazy ciekłej i gazowej. Współrzędne punktu określają ciśnienie krytyczne pc, temperaturę krytyczną Tc i objętość właściwą krytyczną vc. Dla czystej substancji temperatura krytyczna jest temperaturą, powyżej której ciecz nie można skroplić niezależnie od ciśnienia. Podobnie ciśnienie krytyczne jest granicą, powyżej której nie istnieje rozróżnienie pomiędzy fazą ciekła i gazową. Ostatnia uwaga traci sens dla układu wieloskładnikowego.

4. Opisać zasadę działania „lodówki”.

Najprostszy układ chłodniczy składa się z następujących elementów:

1. skraplacza,

2. elementu dławiącego (w urządzeniach domowych rolę tę pełni rurka kapilarna),

3. parownika.

4. sprężarki.

W parowniku, który jest umiejscowiony w środowisku chłodzonym, panuje niskie ciśnienie więc i temperatura. Znajdujący się tam czynnik chłodniczy wrze, intensywnie odbierając ciepło. Następnie jest zasysany i sprężany przez sprężarkę po czym trafia do skraplacza, gdzie pod wysokim ciśnieniem ulega skropleniu. Ciekły czynnik o temperaturze wyższej od temperatury otoczenia trafia do elementu dławiącego, ponieważ jego ciśnienie musi zostać obniżone do ciśnienia panującego w parowniku. Podczas dławienia część czynnika odparowuje powodując spadek temperatury pozostałej cieczy. Zimna mieszanina cieczowo-parowa trafia do parownika i cykl się powtarza.

5.Wykazać, że dla COP>4 pompy ciepła można uznać za odnawialne źródła energii

Wskaźnik efektywności cieplnej (COP = Coefficient Of Performance) jest jedym z obiektywnych kryteriów oceny pompy ciepła. Jeżeli COP jest 4 to oznacza że z 1 kW energii elektrycznej dostarczonej do pompy ciepła otrzymamy 4 kW energii cieplnej, którą ogrzejemy dom.

 Oznacza to, że 2/3 energii jest darmowe i pochodzi z ziemi lub powietrza.

Należy pamiętać iż posługujemy się kryterium rocznej sprawności, a więc średniej sprawności rocznej. Oznacza to, że uzwględniamy zmianiające się warunki atmosferyczne na zewnątrz, uzależnione od pory roku. 

 COP podawany dla badań laboratoryjnych czy jednej pory roku może być wysoki, a pompa sprawiać wrażenie "bardzo efektywnej", co nie musi byc zgodne z rzeczywistością.

 W Polskim klimacie nie jest sukcesem mieć wysokie COP od kwietnia do października, lecz rzeczywiste uśrednione COP dla całego roku, które uwzględnia niskie temperatury w okresach zimowych.

 W przypadku powietrznych pomp ciepła (powietrze/woda) zwróć uwagę na osiągnięcia i parametry pompy przy warunkach skrajnych. Dobra pompa ciepła powinna poradzić sobie z odzyskiem ciepła z powietrza do -20 °C.

Uważam, że pompa cieplna można użyć za odnawialne źródło energii, ponieważ aż 75% tej energii pochodzi z źródeł odnawialnych.

1.Metodyka porównywania emisji CO2 ze spalania węgla i gazu (gaz czystszy ok. 1,8 razy).

16 kg CH4 + 64 kg O2 = 44 kg CO2 + 36 kg H2O

Dla węgla kamiennego wartość opałowa wynosi: 1 kg Ckam = 25 MJ,

a zawartość w nim węgla chemicznie czystego około 60%.

Stąd rozpatrywane 12 kg C to 20 kg Ckam, gdzie 20 kg Ckam= 500 MJ.

Wartość opałowa dla metanu: 1 m3CH4 = 35 MJ, stąd 22,71 m3= 795 MJ

Przyjmując średnie sprawności instalacji do produkcji energii cieplnej:

A)z piecem węglowym –0,8 (80%)

B)z piecem gazowym –0,95 (95%) Spalamy: 12 kg C = 20 kg Ckam, stąd uzyskana energia: 500 MJ * 0,8 = 400 MJ oraz: 22,71 m3CH4stąd energia: 795 MJ * 0,95 = 755 MJ przy tej samej emisji CO2 = 22,71 m3(44 kg).

Dla produkcji 755 MJ z węgla należałoby spalić 755/400 =1,8

razy więcej węgla, a więc emisja CO2również wzrosłaby

1,8 razy osiągając wartość ~ 41 m3.

Więc w aspekcie emisji CO2

przy produkcji energii cieplnej piec na gaz ziemny jest 1,8 razy

czystszy niż na węgiel kamienny.

2.Izobaryczny proces parowania.

3.Graficzna interpretacja ciepła na wykresie T(s).

4.Zasada działania klimatyzatora.

Zasada klimatyzacji zawsze sprowadza się do jednej rzeczy: pobrać energię w jednym miejscu i oddać ją w innym.

Proces ten wymaga jednostki wewnętrznej i zewnętrznej oraz miedzianych rur do połączenia obu urządzeń. Poprzez rury z jednej jednostki do drugiej przepływa czynnik chłodniczy. To właśnie czynnik chłodniczy pobiera energię w jednej jednostce i oddaje ją w drugiej.

Chłodzenie

Jednostka wewnętrzna Wentylator wywiewa gorące powietrze na wymiennik ciepła, przez który płynie zimny czynnik chłodniczy. Zimny czynnik chłodniczy pochłania ciepło z powietrza i do pomieszczenia wywiewane jest ochłodzone powietrze.

Miedziane rury Czynnik chłodniczy krąży w rurach między jednostkami przenosząc ciepło z jednostki wewnętrznej do jednostki zewnętrznej.

Jednostka zewnętrzna Poprzez sprężenie czynnik chłodniczy w stanie gazowym zostaje ogrzany i zwiększa się jego punkt wrzenia. W jednostce zewnętrznej ciepło uzyskane w wyniku sprężenia zostaje oddane do powietrza na zewnątrz za pomocą wentylatora, który wywiewa powietrze na wymiennik ciepła.

Czynnik chłodniczy Ciekły czynnik chłodniczy wraca do jednostki wewnętrznej.

Jednostka wewnętrzna W jednostce wewnętrznej czynnik chłodniczy jest rozprężany, co umożliwia mu pobranie ciepła z powietrza w pomieszczeniu.

Zdefiniować pracę bezwzględną i techniczną?

Praca bezwzględna- sposób wykonania pracy przez układ zamknięty wykonuje to zmiana objętości substancji (czynnika)wypełniającej układ . Praca bezwzględna wynosi 0 gdy nie ma zmiany objętości.

Dla p=const

L= F*x= Ap*x= p *delta V

F=Ap –siła parcia (równoważy Patm I ciezar tłoka)

1. Powierzchnia tłoka

Gdy p nie rowna się const

dL=pv*dV

Praca techniczna- Gdy dopełniamy zbiornik gazem lub podgrzewamy gaz np. w butli to V=const

(proces izochoryczny, L=0), a praca jest wykonywana dając w efekcie wzrost ciśnienia.

Stąd dla płynów definiuje się również tzw. pracę techniczną związaną ze zmianą ciśnienia (np.dla V=const, Lt= -V*Δp) W termodynamice zwykle mamy i zmianę ciśnienia i objętości, a więc występują oba rodzaje pracy. Większość urządzeń technicznych tworzy otwarte układy termodynamiczne, tzn. z istniejącym przepływem substancji (czynnika) między otoczeniem a układem (np. turbina).

Lt wynosi 0 gdy nie ma zmiany ciśnienia, dp=0

Gdy V= const => Lt=-V deltap

Gdy V=/ const : Lt=-Vm(p2-p1)

Czym różni się pojęcie entalpii od pojęcia entropii?

Entropia: Układ wymienia energię nie tylko przez pracę ale przez wymianę ciepła, a siłą napędową wymiany ciepła jest temperatura. Entropia to funkcja wiążąca ilość pobranego/oddanego ciepła z przyrostem temperatury lub temperaturą przemiany. Stąd ciepło oddane lub pochłonięte przez czynnik (układ) – tzw. ciepło przemiany zdefiniowano (nawiązując do ww. wzorów całkowych na pracę) jako:

Entalpia jest miarą energii czynnika lub układu termodynamicznego wynikającą z temperatury i ciśnienia (lub z ich przyrostu), zwykle odnoszona do 0’C

Entalpia: I=E+pV

Gdzie: E-energia wewnętrzna czynnika lub układu związana z temperaturą (niekiedy oznaczana jako U), V - objętość czynnika przy ciśnieniu p, pV – energia związana z ciśnieniem (p)

Opisać cykl termodynamiczny sprężarkowej pompy ciepła na wykresie T=f(s)

Czym skutkuje według prawa Charlesa (podać formułę) pozostawienie butli z gazem na słońcu?

Charlesa prawo, prawo opisujące przemianę izochoryczną gazów: przy stałej objętości (V = const) iloraz ciśnienia gazu i jego temperatury bezwzględnej jest wartością stałą, zgodnie z równaniem

P1/T1=p2/T2

gdzie: p₁ i p₂ – ciśnienia gazu odpowiednio w temp. bezwzględnych T₁ i T₂, V – objętość gazu.

Wzrost temperatury gazu w butli, poprzez nagrzanie słoneczne może spowodować niebezpieczny wzrost ciśnienia (występuje tu przemiana izochoryczna zachodząca w stałej objętości) co prowadzi do wybuchu butli.

Reguła Gibbsa: Dla gazu jednorodnego do określenia jego stanu wystarczają dwa parametry termodynamiczne (np. T i p), w celu określenia pozostałych parametrów tzn. objętości właściwej, entalpii, entropii, zawilżenia (kategorii fazowej).

S=alfa-beta+2

•  – liczba stopni swobody, czyli liczba zmiennych intensywnych, które można zmieniać bez jakościowej zmiany układu (bez zmiany liczby faz w równowadze)

•  – liczba niezależnych składników, a więc takich, które nie dają się określić za pomocą zależności chemicznych poprzez stężenia innych składników (niezależnych).

•  – liczba faz, a więc postaci materii jednorodnej chemicznie i fizycznie (np. roztwór, faza gazowa, kryształy o określonym składzie)

Równanie Cpaleyrona-jednostki-komentarz

Równanie Clapeyrona spełniają gazy doskonałe tzn. takie, których cząsteczki nie przyciągają się, są nieskończenie małe, nie wykonują drgań wewnętrznych i C=/ f(t)

pV=mRT

lub

pV=n Ru T

Gdzie: V–objętość gazu, R =cp–cv [J/kg K]-indywidualna stała gazowa, Ru–uniwersalna stała gazowa 8315 J/kmol K, n–ilość moli gazu, p-ciśnienie gazu, m–masa gazu, T–temperatura [K]

Równanie to spełniają gazy doskonałejednak przy niedużych ciśnieniach i temperaturze niewiele wyższej niż temperatury skraplania gazy rzeczywisterównież spełniają to równanie.

Dla masy jednostkowej:

Pv=RT v- objętość wlasciwa [m3/kg]

I i II zasada termodynamiki, definicje, formuły

I zasada termodynamiki:

Definicje:

Układ termodynamiczny to część przestrzeni ograniczona powierzchniami materialnymi

lub abstrakcyjnymi stanowiąca obiekt badań.

Układ termodynamiczny zamknięty to układ, do którego nie dopływa i nie wypływa materia (substancja) a otwarty, gdy istnieje przepływ substancji między układem i otoczeniem (silnik spalinowy).

Energia to zdolność do wykonania pracy i/lub wymiany ciepła z otoczeniem przez układ. Praca i ciepło są formami (sposobami) przekazywania energii.

I zasada termodynamiki:

1. Układ zamknięty (np. podgrzewany kocioł wodny zamknięty unoszącym się tłokiem) zmienia swą energię (delta E ) poprzez wymianę ciepła z otoczeniem lub wykonanie pracy,

gdzie zmiana (przyrost) energii układu:

deltaE=Q-L

Gdzie: Q – całkowite ciepło wymienione z otoczeniem [suma ciepła doprowadzonego(+)

i odprowadzonego(-) z układu, na rys. ciepło odpr.=0) ]

L - całkowita praca wymieniona z otoczeniem [suma pracy doprowadzonej(-)

i odprowadzonej(+) z układu czyli wykonanej przez układ, na rys. praca dopr.

=0]

2. inna definicja, dotycząca również układu otwartego : Energia doprowadzona do układu (Ed) jest sumą energii wyprowadzonej z układu (Ew) i przyrostu energii układu ( deltaE) – [pojęcie ciepła i pracy zastąpione energią].

Ed-deltaE+ Ew równanie bilansu energii

Delta E=Ed-Ew

Np.rozruch silnika spalinowego, gdzie:

Ed – energia paliwa

Delta E- przyrost energii silnika

(grzanie + ruch tłoków)

Ew- praca mechaniczna wału

W ruchu jednostajnym =0

II zasada termodynamiki:

1. Kelvin, Plankc: nie jest możliwe skonstruowanie silnika przetwarzającego całą ilość pobranej energii na pracę (perpetuum mobile II rodzaju nei istnieje) , zawsze występują straty energii np. poprzez tarcie)

2. Klausius: ciepło nie może samorzutnie przechodzić od ciała i niższej temperaturze do ciała o temperaturze wyższej