1. I Zasada termodynamiki

W układzie odosobnionym tzn. osłoniętym osłoną adiabatyczną, ilość energii wewnętrznej układ jest stała E_d=E_u+E_w [J]  równ bilansu energetycznego można traktować jako I zasadę termodynamiki dot. Układu zamkniętego. Energia doprowadzona do układu wyodrębnionego osłoną adiabatyczną pozostaje częściowo w układzie a część jest wyprowadzona z układu. Interpretacja graficzna – wykr. Sankeya

Jeżeli układ działa w sposób ustalony (jego energi nie zmienia się w czasie lub zmienia się w sposób periodyczny i po skończonej liczbie cykli wraca do wart. Początkowych) to bilans energetyczny przyjmuje postać ponieważ to do czynnego silnika że jest rzeczą niemożliwą skonstruowanie perpetum mobile pierwszego rodzaju (silnika pracującego bez zasilania energią z zewnątrz).

2. II Zasada termodynamiki

sformułowanie

1. Plancka. Jest rzeczą niemożliwą skonstr. takiego silnika (maszyny działającej periodycznie), którego działanie polegało by na podnoszeniu ciężarów i równoczesnym ochładzaniu jednego źródła ciepła. Silnik taki nosi nazwę perpetum mobile II rodzaju.

2. Clausjusa ciepło nie może przejść samorzutnie od ciała o temp niższej do ciała o temp wyższej. Aby spowodować taki przepływ ciepła musimy zastosować lewo bieżną maszynę cieplną i wkładać do niej energię z zewnątrz, tzn. wywoływać zmiany w innych ciałach.

• Samorzutne przejście – zjawisko któremu nie towarzyszą żadne zmiany w otoczeniu (otoczenie nie oddziałuje na układ)

3. Schmidta – nie można całkowicie odwrócić przemiany, w której występuje tarcie. Pracę w całości można zmienić na ciepło przez tarcie, jednak z tego ciepła nie można w całości odzyskać pracy.

4. Ostwalda – perpetum mobile II rodzaju jest niemożliwe – DOWÓD

czyli cykl pracy silnika stąd S_{PM II R}=0 bo entropia jest wielkością stanu a stan w punkcie 1-2 jest sobie równy to =0; =S_{PM II R}+S_ŹR=0 - ; Q – ciepło tarcia

 > 0 sprzeczne z prawem wzrostu entropii

5. entropia układu zamkniętego i izolowanego nie może maleć podczas dowolnej przemiany i wzrastać przy przemianach nieodwracalnych.

4. Entalpia – sposób obliczania

1. ciała stałe i ciecze i=u+pv, gdzie v - obj. właść., p - bezwzględne ciśnienie statyczne, u – właściwa energia wewnętrzna

2. gaz doskonały (funkcja tylko temp, nie zależy od ciśnienia i objętości) i=c_pT+u_o, gdzie c_p – ciepło wł. przy stałym ciśnieniu, T – temp, u_o – energia otoczenia

3. gaz półdoskonały (funkcja tylko temp) ; gdzie - średnie ciepło właściwe od 0 doT, T – temp

4. para nasycona mokra i=i`+x(i``-i`), gdzie i – entalpia pary nasyc. mokrej, i` - entalpia cieczy, i`` - ilość pary suchej nasyconej, x – stopień wilgotności

5. para przegrzana i=i``q_p, gdzie q_p – ciepło przegrzania pary

6. para mokra nasycona i=q+r+pr, gdzie r – entalpia parowania

6. Sposoby przekazywania ciepła

1. przewodzenie ciepła – przenoszenie ciepła w obrębie danego ciała od jednych drobin do drugich lub przez dyfuzję

2. konwekcja – (unoszenie ciepła) ciepło płynie z cząsteczkami płynu od ściany przegrody do rdzenia strumienia lub odwrotnie

3. promieniowanie – ciepło przenosi się od jednego ciała do drugiego w postaci energii promienistej (za pośrednictwem fal elektromagnet)

   E_w = L_w

   
   

   E_d = E_w

8. Praca bezwzględna

Jest to praca wykonana przez czynnik termodynamiczny wtedy gdy ciśnienie otoczenia jest równe zero. Pracę tę można obliczyć rozpatrując układ cylinder – tłok

dx – odległość przesunięcia tłoka

Przy  małym dx czynnik wykonuje pracę dl=kdx, gdzie k – siła, dx droga. Przy pracy bez tarcia siłę k równoważy ciśnienie działające na tłok. Stąd: k=pA, gdzie p – ciśnienie, A- przekrój, dl=p A dx  dl=p dv

p – bezwzględne ciśnienie statyczne wewn. cylindra

dv – przyrost objętości w cylindrze

Praca bezwzględna ; interpr. graficzna (założenie – znam zależność p od v)

Jeżeli:

dv>0 to dl>0

dv<0 to dl<0

L_1-2 – zależy od drogi przemiany a nie tylko od stanu początkowego i końcowego

L_1-2 – dotyczy przemian zachodzących bez strat na rzecz tarcia (wtedy dl <pdv)

Zastosowanie: w układach otwartych i zamkniętych, pseudoodwr. dl = p dv - dl_t = p dv - dQ_f stąd dl < p dv

dl_t – praca na rzecz tarcia, dQ_f – ciepło na rzecz tarcia

9. Sens fizyczny pracy technicznej

Pracę fizyczną rozpatrujemy wg idealnej maszyny przepływowej tzn.

• nie występuje tarcie poruszających się względem siebie powierzchni

• zawory nie stawiają oporu

• w wewnętrznym zwrotnym położeniu tłok dotyka cylindra

L_t=L_n+L_1-2+L_w+L_1-2+p₁v₁-p₂v₂

L_n – praca napełniania

L_1-2 – praca przemiany zamknietej

L_w – praca wytłaczania

zał. p₁>p₂

1. w.z.p. – przemiana napełniania

2. z.z.p. – ilość czynnika = const

Praca techniczna element. dL_t = -Vdp, L_t>0 gdy dp<0 Praca skończona L_{t 1-2} =

dL_t>0 gdy dp<0; dL_t<0 gdy dp>0

10. Obieg Diesla

Jest obiegiem porównawczym, silników o zapłonie samoczynnym i wtryskiem paliwa za pomocą sprężonego powietrza. Jest to układ otwarty.

1-2 sprężanie izentro.

2-3spalanie p=cons

3-4 rozpr. izentropo.

4-1 wydech izochora,

Sprawność techniczna

;

kompresja ; st. obciążeni

Stąd sprawność maleje ze wzrostem obciążenia

13. Wymienniki ciepła

Zadaniem ich jest umożliwienie przenikania ciepła z 1 ośrodka do 2. Zależnie od kierunków przepływu obu czynników mówi się o przepływie współprądowym, przeciwprądowym lub poprzecznoprądowym.

współpr. – przepływ w którym kierunki przepływu obu czynników są zgodne

przeciwpr. - ... są skierowane przeciwnie

poprzecznopr. - ...są do siebie prostopadłe

W

i nosi nazwę średniej logarytmicznej, gdyż zawiera logarytm różnicy temp na końcu i początku wymiennika

artość różnicy temp określana jest równaniem

Wnioski: Przy współprądzie temp końcowa płynu ogrzewanego jest niższa od końcowej temp płynu ogrzewającego. Przy przeciwprądzie końcowa temp płynu ogrzewanego może być znacznie wyższa i w pewnych przypadkach może zbliżyć się do temp początkowej płynu ogrzewającego. Przykład: Kocioł parowy, skraplacz, podgrzewacz,

14. Co to jest entalpia

To wielkość termodynamiczna określająca stan termodynamiczny układu i równa jest sumie energii wewnętrznej U układu oraz iloczynowi jego objętości i ciśnienia. Zmiana entalpii przy stałym ciśnieniu jest miarą ilości ciepła wymienionego przez układ z otoczeniem. I – entalpia, U – energia wewnętrzna, p – ciśnienie statyczne bezwzgl., V – objętość całkowita ciała. I = U + p V. Entalpia jest funkcją tych samych parametrów stanu co energia wewnętrzna.

16. Gaz doskonały i półdoskonały

gaz doskonały – gaz którego drobiny nie przyciągają się wzajemnie, są nieskończenie małe i sztywne (wewnątrz drobin nie występują drgania).Spełnia on:

-

N_1-2 – ilość cząstek gazu

M_1-2 – masy cząsteczkowe

m_1-2 – masa gazu

prawo Awogadra – w jednakowych objętościach znajduje się ta sama ilość cząstek dowolnego gazu doskonałego, jeżeli ciśnienie i temp obu gazów są jednakowe.

- równanie stanu – f(p,V,T) =0, gdy znam 2 parametry gazu to mogę obliczyć 3

- równanie stanu gazu doskonałego (Clapeyrona) pV=RT

- ciepło właściwe ; c_p>c_v; ; c_p-c_v=R

- zasada ekwipartycji – energia rozkłada się równomiernie na wszystkie możliwe ruchy cząstek

Gaz półdosk. różni się od gazu doskonałego tym że w jego drobinach występują drgania. Atomy wchodzące w skład gazów są powiązane ze sobą sprężyście

19 Co to jest entropia

Jest to funkcja stanu termodynamicznego, której zmiana równa się ilorazowi dostarczonego ciepłą i temperatury ; S – entropia całkowita

; s – entropia właściwa w odniesieniu do 1kg czynnika; dla źródła S = - źródło oddaje energię więc przyrost entropii jest ujemny. Entropia mówi nam o kierunku przemian zachodzących w przyrodzie.

20. Prawo wzrostu entropii

Jeżeli układ jest jak na rys. i założenie: do tłok + cylinder możemy doprowadzić ciepło Q ze źródła ciepłą, przy czym Q = idem. Do cylindra mogę doprowadzić substancję o ilości dm i entropii właściwej s.

Wyróżniamy dwa przypadki:

I przemiana odwracalna

1. T_cz = T_źr ; b) brak tarcia dQ_t = 0

przyrost entropii układu odosobnionego s = , natomiast elementarny przyrost ozn. d = ds._u+ds_ot

- przyrost entropii układu

- przyrost entropii otoczenia

Wniosek: W układzie odosobnionym sumą przyrostów entropii wszystkich ciał uczestniczących w zjawisku odwracalnym jest = 0. Warunek ten jest spełniony nawet w najmniejszej części zjawiska.

II przemiana nieodwracalna tzn. t_źrt_cz

22. Rodzaje konwekcji

Konwekcja – przenoszenie energii przez przepływ drobin i mieszanie się strugi o różnej temp. Występuje tylko w cieczach i gazach.

a) konwekcja wymuszona – występuje gdy prędkość przepływu strugi płynu może wynikać z działania sił zewnętrznych (działanie pompy). Wymiana ciepła przy konwekcji wymuszonej zależy od rodzaju ruchu:

• laminarny Re<Re_kr =2300

• burzliwy Re >10000

• R_kr<Re<10⁴ (ruch przejściowy, ob. inne zależ)

b) Konwekcja swobodna - występuje wtedy gdy ruch płynu powstaje samoczynnie na skutek działania sił wyporu. K. s. najczęściej nakłada się na konw. wymuszoną, bo siły wyporu powstają zawsze zawsze gdy gęstość ciężaru płynu jest inna w warstwie przyściennej niż w rdzeniu strugi

25,Co to jest skojarzona gospodarka cieplna.

Do ogrzewania pomieszczeń wystarczy czynnik termodyn o temp 80⁰C , w wielu zaś procesach przemysłowych potrzebny jest czynnik o temp 150-200⁰C , taki czynnik a nawet o temp znacznie wyższej można uzyskać w kotłach parowych. Stosowanie jednak takiego czynnika do ogrzewania pomieszczeń powoduje znaczne dodatkowe straty energii Unikniemy tego dzięki temu że parę o wysokich parametrach skieruje się do turbiny przeciwprężnej w której pary wylotowe mają parametry dogodne do celów ogrzewczych i jest wykorzystana do pracy. W ten sposób realizujemy tzw skojarzoną gospodarkę cieplną. Która polega na równoczesnym wykorzystaniu pracy (energii elektrycznej) i ciepła grzejnego doprowadzonego do mieszkań Zakład pracujący w tn sposób nazywa się elektrociepłownią.

26.Jak oblicza się oszczędność energii uzyskanej w skojarzonej gospodarce cieplnej.

Sprawność termiczna elektrowni _{t el} jest to stosunek wytworzonej mocy elektrycznej do enertgi chemicznej spalonego paliwa _{t el}=Nel/(p Wd) Max straty energi występują w kotle parowym 50%-60% spalonego paliwa.

28. Wady i zalety siłowni turbogazowych.

ZALETY:

• możliwość dobrania najdogodniejszego czynnika chłodzącego

• można zmniejszyć rozmiary agregatu poprzez zastosowanie podwyższonych ciśnień

• umożliwia regulację mocy silniki przez zmianę gęstości czynnika obiegowego

• ma górną moc graniczną agregatu > niż w przypadku układu otwartego

• mogą pracować bez używania wody

WADY

• konieczność stosowania 2 wymienników ciepła , zwłaszcza nagrzewnicy narażonej na wysokie temp

konieczność stosowania sprężarek duże części energii (aby uzyskać 10 MW musza mieć turbinę 40 Mw gdyż 30 MW na sprężarkę.

29 Zasada zachowania energii

Energia nie może zniknąć nie może powstać z niczego , lecz może przejść z jednej postaci w drugą i ilość jej nie może ulec zmianie w układzie zamkniętym i izolowanym układ jest niezmienny niezależnie od zmian zachodzących w układzie.E=0

31.Przedstawić całkowite ciepło pochłonięte przez czynnik termodynamiczny w ukł T-S

Całkowite ciepło które zostało pochłonięte przez czynnik można obliczyć za pomocą wzoru

Qc1-2=

Jnterpretacja graficzna : ciepło pochłonięte w czasie przemiany odpowiada pole zawarte nad linią przemianową 1-2 i osią

36 Wyjaśnij dlaczego praca i ciepło nie mogą być traktowane za postaci energii

P

1 gw

2 Lob=L_CR

3 gd

raca i ciepło nie są postaciami energii mimo Ze ich ilość mierzy się tymi samymi metodami jednostkami co ilość energii. Energia jest bowiem własnością materii jest funkcją stanu układu. Praca i ciepło przestają istnieć w chwili zakończenia zjawiska- wykonania pracy czy przepływu ciepła. Pozostaje po nich tylko skutek tych zjawisk.

38. Jaką przemianę nazywamy obiegiem termod.

Obieg termodynamiczny jest to przemiana w której stan końcowy czynnika jest identyczny z początkowym. Wykresem (obrazem obiegu) jest krzywa zamknięta . W każdym wykresie możemy określić 4 charakterystyczne punkty

1. dwa punkty zwrotne I II i dzielą one krzywą na linię ekspansji i kompresji

2. dwa punkty adiabatyczne i i dzielą one krzywe na części podczas której czynnik pochłania ciepło i część podczas której oddaje ciepło.

Ciepło dostarczane pobrane przez czynnik z zewnątrz w czasie obiegu ozn Qd, zaś oddawane Qw sa one > 0.

40. Definicje Clausiusa, Plancka, Smitcha, Ostwalda, Entropia

Patrz punkt drugi

41. Prawa dla gazu doskonałego

1. Boylea Mariottea

Jeżeli w =idem to p*V=idem

2. GayLussaca- Charlesa

Jeżeli p= idem to objętość właściwa to objętość właściwa V=V₀(1+T);V/T=idem

V₀-obj.wł gazu w temp 0⁰C

-termiczny wsp rozszerzalności objętości gazu odniesiony do obj V₀ jest ustalony eksperymentalnie (1/273,15) *(1/K)

Założymy że t=idem

p-stałe ciśnienie bezwzgl [N/m²]

V- objętość właściwa [m³/kg]

R-indywidualna stała gazowa [Nm/kgK]

T-temp benzyny

3. Awogadra liczba drobin zawartych w jednakowej objętości różnych gazów doskonałych w tych samych warunkach termicznych (temp i ciśnienie gazów jest takie same)

(MR) jedn indywidualnej stałej gazowej 8314 [J/kmolK]

R=(MR)/M

M₁*R₁= M₂*R₂₌ M*R

P*V=R*Tp(MV)=MR*T

P*V=m*R*Tp*V=n(MR)*T

MV;(MR)(B)nie zależy od rodzaju gazu

n,m- masy

42. Co to jest punkt krytyczny i potrójny

Jest to punkt równowagi trzech faz (stałej, ciekłej, gazowej)substancji.

P
odczas przejścia cieczy ze stanu ciekłego w parowy.Zakładając że mamy zamknięte naczynie (cylindr tłok)z cieczą dostarczając temperaturę przy p=idem ciecz uzyskuje coraz wyższą temperaturę aż do momentu osiągnięcia tzw zmiany stanu skupienia polegającym na powstaniu fazy gazowej w całej objętości cieczy w postaci pęcherzyków parowych (wrzenie)- zależy dla określonej cieczy wyłącznie od ciśnienia. Jeżeli dalej będziemy dostarczać ciepło to temp będzie się utrzymywać na stałej wartości, natomiast będzie coraz więcej pary, gdy ciecz całkowicie odparuje to nastąpi wzrost temp pary.Faza gazowa mająca kontakt z wrzącą cieczą (temp wrzenia) to tak zwana para nasycona-para nasycona i ciecz są w tak zwanym w stanie równowagi trwałej i dla danej cieczy jest funkcją ciśnienia.Stąd mamy krzywą nasycenia Zależność ciśnienia nasycenia p od temp nasycenia.

43. Przemiany (gazów doskonałych i pół doskonałych)

a) izotermiczny- jest przemianą, w której stała jest temperatura czynnika

* - praca bezwzględna

mając funkcję p od V p₁v₁=p₂v₂ p=p₁v₁/v ponieważ p₁v₁ jest stałe

robimy podst. V₂/V₁=p₁/p₂

*

L_t1-2=L_1-2 ciepło Q_1-2=L_1-2=L_t1-2 jeżeli dv>0 rozprężanie L_1-2>0 ; Q_1-2>0 jeżeli dv<0 sprężanie L_1-2<0 ; Q_1-2<0

b)izochoryczny V=idem

p=idem ; v=idem

* L_1-2=0 * l_t1-2=V(p₁p₂) chcąc sprężyć trzeba doprowadzić pracę z wewnątrz która jest ujemna

C

iepło Q_1-2=V₂-V₁=m(u₂-u₁)=mc_v(T₂-T₁)

c) izobaryczna p=idem

* L_t1-2=0

* L_1-2=p(v₂-v₁)

*Q_1-2=I₂-I₁=m(i₂-i₁)=mc_p(T₂-T₁)

d) adiabatyczna odwracalna – dQ=0 bez wymiany ciepła z otoczeniem jest przemianą izentropową

*

jeżeli dQ=0 d_s=0 bo d_s=d_q/

równ. różniczk. adiab. odwrac.

=c_p/cv ; =d_v/v+d_p/p=0 lnv+lnp=0 ;ln(pv^)=0

-wykładn. adiabaty

* L_1-2=c_v(T₁-T₂) ; * L_t1-2=L_1-2

e) Politropa- przemiana w której ciepło właściwe jest równe c=d_q/d_=idem ; z- wykładnik politropy

44. Co to jest równowaga termodynamiczna?

Jest to taki stan, który ustala się samorzutnie w układzie odizolowanym od oddziaływań sił zewnętrznych i pozostaje niezmienny w czasie czyli gdy parametry stanu tego układu nie ulegają zmianie w czasie. Spełnione są trzy warunki równowagi:

a) równowaga termiczna

b) równowaga chemiczna

c)równowaga mechaniczna

46. Co to jest ciepło właściwe i od czego zależy?

Całkowite ciepło przejęte przez ciało o masie m podczas podgrzewania od T₁ do T₂ jest równe ciepłu dostarczonemu z zewnątrz i ciepłu tarcia (ciepło wewnątrz ciał) Q_{c 1-2} =Q_1-2+Q_f przy czym

przekształcając wg. Średnie ciepło właściwe jest to ilość ciepła jaką należy dostarczyć jednej jednostce ilości substancji, aby zmienić temperaturę o 1K w całym rozpatrywanym okresie temp. Zależy od:

1. rodzaju ciała

2. temperatury t₁ t₂

3. warunków ogrzewania ciał

Stosunek C_p/C_v= Jeżeli mam ciało masie m i podgrzewam od t do t+t to nastąpi przyrost ciepła Q_c

-rośnie wraz ze wzrostem t i jest wysokością prostokąta o szerokości (t₂-t₁). F pole figury nieregularnej równe polu prostokąta o wysokości. Wielkości ciepła właściwego C i szerokości t₂-t₁. Pole figury F=(t₂-t₁)*c

48. Co to jest dławienie?

Jest to przemiana w której czynnik termodynamiczny ekspanduje dv (wzrasta) i rozpręża się d_p (maleje), nie wykorzystując przy tym pracy. Przemiana ta ma miejsce gdy czynnik natrafia na przegrodę w postaci zmieniającego się przekroju, zmiany kierunku przepływu, zmianę prędkości.

d_v=0, d_p=0

E_v=m(i+w²/2)

i₁+w₁²/2=i₂+w₂²/2

w<40 m/s² przyjmujemy E_k strugi i₁=i₂

50. Podać równowagę stanu gazu doskonałego i półdoskonałego?

pV= RT- równanie stanu gazów doskonałych

pV= mRT ; p [N/m²] ; V [m³/kg] ; R [Nm/kgK] ; T [K]

51. Zerowa zasada termodynamiki

J

a)t₁ różne od t₂

b) t₁=t₂=t₃

c)t₁=t₃

eżeli dwa ciała 1 i 2 są w stanie równowagi termicznej z 3 są one także w równowadze między sobą.

52. Zdefiniować i podać zast. i sposób oblicze. straty wylot i napełnienia sprężarki?

Strata wylotowa- temp. spalin wypływających do otoczenia jest większa niż temp. otoczenia. Ciepło unoszone do otoczenia przez spaliny q_w.

- ilość spalonego paliwa

Równanie Pecleta.

k- współczynnik przenikania ciepła [ W / m² K ]

1.I zasada termod. I

2.II zasada termod. I

4.Entalpia- obliczanie. I

6.Sposób przekazania ciepła. I

8.Praca bezwzględna. I

9.Sens fizyczny pracy tech. II

10.Obieg Diesla. II

13.Wymienniki ciepła. II

14.Entalpia co to jest ? II

16.Gaz doskonały i pół doskonały. II

19.Entropia co to jest ? III

22.Rodzaje konwekcji. III

25.Skojarzona gospodarka cieplna co to jest ? III

26.Obliczanie oszczędności energii uzyskiwanej w skojarzeniu gosp. cieplnej. III

28.Siłownia turbogazowa wady i zalety. III

29.Zasada zachowania energii. III

31.Całkowite ciepło pochłonięte przez czynnik termodyn. W układzie T-s. III

36.Dlaczego praca i ciepło nie mogą być traktowane za postać energii. IV

38.Jaką przemianą nazywamy obieg. termodyn. IV

40.Definicja Clausiusa, Plancka, Smitha, Ostwalda, Entropia. IV

41.Prawo dla gazu doskonałego. IV

42.Punkt krytyczny i potrójny co to jest ? IV

43.Przemiany gazów dosk. i pół doskonałych. IV

44.Równowaga termodynamiczna co to jest ? V
46.Ciepło właściwe i od czego zależy. V

48.Dławienie co to jest ? V

50.Podać równowaga stanu gazu doskonałego i półdoskonałego. VI

52.Strata wylotu i napełnianie sprężarkiVI