Term proc i tech WYKLAD I

TERMODYNAMIKA PROCESOWA I
TECHNICZNA
Wykład I
Sprawy formalne
Podstawowe definicje i pojęcia
termodynamiczne
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej
1
TERMODYNAMIKA PROCESOWA I TECHNICZNA
Sprawy formalne:
Forma: Wykład w postaci prezentacji komputerowych
Wymiar: 45 h/semestr (3 h/tydzień)
Czas i miejsce: PN 10.15 13.00 s. B-1 F-4
Wykład z jedną przerwą ok. 11.15 11.25
Przeznaczenie: studenci II roku Studium inżynierskiego na Wydziale
chemicznym i kierunku Inżynieria chemiczna i procesowa
oraz inni studenci Politechniki Wrocławskiej
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2
TERMODYNAMIKA PROCESOWA I TECHNICZNA
Sprawy formalne cd.:
Obecność: nieobowiązkowa (sprawdzana)
Obecność na wykładzie będzie premiowana dodatkowymi
punktami przy ocenie egzaminu: brak nieobecności 5 pkt.,
jedna nieobecność 3 pkt., dwie nieobecności 1 pkt.
Zaliczenie: Egzamin w czasie sesji
Egzamin jest pisemny i składa się z dwu części. Część pierwsza
to test wielokrotnego wyboru, natomiast część drugą stanowią
tradycyjne pytania ogólne lub szczegółowe.
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 3
TERMODYNAMIKA PROCESOWA I TECHNICZNA
Sprawy formalne cd.:
Kontakt: p. 115 C-6, tel. 71-320-33-58
email: antoni.koziol@pwr.wroc.pl
Konsultacje:
Wtorek godz. 11 13
Środa godz. 11 13
Informacje internetowe:
www.prochembio.pwr.wroc.pl/studenci.html
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 4
Literatura zasadnicza
1. A. Kozioł: Termodynamika procesowa i techniczna -
Materiały wykładowe. Internet 2013.
2. S. Michałowski, K. Wańkowicz: Termodynamika
procesowa. WNT Warszawa 1999.
3. J. Szarawara: Termodynamika chemiczna
stosowana. WNT Warszawa 1997.
4. E. Kalinowski: Termodynamika. Wyd. Polit. Wroc.,
Wrocław 1997.
5. S. R. Turns: Thermodynamics. Concepts and
Applications. Cambridge University Press.
Cambridge 2006.
� Prof. Antoni Kozioł,Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 5
Literatura pomocnicza
(uzupełniająca)
1. P. Atkins: Palec Galileusza. DW Rebis, Poznań
2005. (Rozdziały: 3 Energia i 4 Entropia)
2. B. Diu: Czy atomy naprawdę istnieją ? PIW,
Warszawa 2000.
3. H. Buchowski, W. Ufnalski: Podstawy
termodynamiki. WNT, Warszawa 1994.
4. D.R. Olander: General Thermodynamics. CRC
Press. Boca Raton 2008.
� Prof. Antoni Kozioł,Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 6
Uwagi wstępne
Termodynamika jest to dział fizyki zajmujący się zagadnieniami
cieplno mechanicznymi w skali makroskopowej.
Termo zjawiska, zagadnienia - dynamika zjawiska, zagadnienia
cieplne związane z chaotycznym mechaniczne związane z uporządkowanym
ruchem cząsteczek materii ruchem makroskopowych zbiorów materii
� Prof. Antoni Kozioł,Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 7
Uwagi wstępne
Istnieje wiele różnych podziałów i klasyfikacji dotyczących
termodynamiki. Dla naszych celów całą termodynamiką możemy
podzielić na:
" termodynamikę teoretyczną, którą nie będziemy się zajmować
" termodynamikę praktyczną, w ramach której można wyodrębnić
termodynamikę techniczną często nazywaną techniką cieplną
i termodynamikę procesową.
Głównymi tematami termodynamiki technicznej są praktyczne zagadnienia
związane z wzajemnymi przemianami energii cieplnej i mechanicznej.
Z kolei głównym obszarem zainteresowania termodynamiki procesowej
są metody wyznaczania i obliczania właściwości termodynamicznych różnego
rodzaju ośrodków. Właściwości te są niezbędne przy opisie różnego
rodzaju procesów technologicznych.
� Prof. Antoni Kozioł,Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 8
Podstawowe pojęcia i definicje
termodynamiki procesowej
Podstawowymi pojęciami termodynamicznymi są pojęcia układu
i otoczenia.
Ciepło (energia cieplna)
Praca (energia mechaniczna)
Układ i otoczenie mogą wymieniać
ze sobą energię i masę.
Układ
Energia może być wymieniana na dwa sposoby:
-jako ciepło, gdy wiąże się to
z przekazywaniem termicznym,
- lub jako praca gdy energia jest
przekazywana mechanicznie w sposób
uporządkowany
Otoczenie
Masa
� Prof. Antoni Kozioł,Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 9
Przykład układu termodynamicznego:
cylinder w silniku spalinowym
1
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 0
RELACJE UKAADU Z
OTOCZENIEM
W zależności od istnienia lub braku wymiany z otoczeniem układ określa się jako:
" adiabatyczny gdy nie ma wymiany ciepła
" w kontakcie termicznym gdy wymiana ciepła jest obecna
" izolowany mechanicznie gdy praca nie jest wykonywana
" w kontakcie mechanicznym gdy praca jest wykonywana
" zamknięty gdy nie ma wymiany masy
" otwarty gdy wymiana masy się odbywa
� Prof. Antoni Kozioł,Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 11
RÓWNOWAGA
TERMODYNAMICZNA
Ze stanem równowagi mamy do czynienia wtedy, gdy występują
dwie wzajemnie przeciwstawne tendencje, które się równoważą.
Pojęcie równowagi jest stosowane w różnych dziedzinach nauki.
Przykładowo w ekonomii ważnym pojęciem jest równowaga rynkowa
polegająca na równoważeniu się podaży i popytu określonego towaru.
W naukach ścisłych i technicznych zagadnienie równowagi występuje
stosunkowo często. Najważniejsze rodzaje równowag to:
1. Równowaga mechaniczna polegająca na zrównoważeniu sił.
2. Równowaga termiczna polegająca na zrównoważeniu temperatur.
3. Równowaga chemiczna polegająca na zrównoważeniu szybkości
reakcji chemicznych.
� Prof. Antoni Kozioł,Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 12
RÓWNOWAGA
TERMODYNAMICZNA
Układ który jest w stanie równowagi cechuje się stałością w czasie
parametrów opisujących jego stan. Oznacza to że nie zachodzą
w nim żadne makroskopowe zmiany. Stan równowagi nie oznacza
że w układzie nic się nie dzieje. Oznacza tylko tyle że procesy
zachodzące w układzie nie dają efektów makroskopowych.
Czasami (dosyć często) równowaga definiowana jest jako stan,
w którym parametry makroskopowe są stałe w czasie. Jest to
definicja równoważna gdyż stałość parametrów wynika ze
zrównoważenia przeciwstawnych tendencji.
Szczególną rolę odgrywa pojęcie równowagi termodynamicznej,
która zachodzi wtedy gdy występują jednocześnie równowagi:
mechaniczna, termiczna i chemiczna. Równoważna definicja tej
równowagi mówi że występuje ona wtedy gdy parametry
termodynamiczne opisujące dany układ termodynamiczny są
stałe w czasie co występuje wtedy, gdy dany układ jest pozostawiony
sobie przez czas dostatecznie długi.
� Prof. Antoni Kozioł,Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 13
STAN UKAADU I PRZEMIANA
TERMODYNAMICZNA
Stan układu termodynamicznego opisuje szereg wielkości fizycznych
nazywanych parametrami lub funkcjami stanu.
Jeżeli układ zmienia swój stan, to mówimy że odbywa się przemiana
termodynamiczna
Przemiana
Stan 2
Stan 1
� Prof. Antoni Kozioł,Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 14
STAN UKAADU I PRZEMIANA
TERMODYNAMICZNA
Przykładem przemiany termodynamicznej może być proces
sprężania gazu w cylindrze silnika spalinowego:
� Prof. Antoni Kozioł,Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 15
STAN UKAADU I PRZEMIANA
TERMODYNAMICZNA
Przemiany termodynamiczne możemy podzieć na:
1. Wymuszone, gdy są one spowodowane czynnikami
zewnętrznymi,
2. Samoistne (spontaniczne), gdy odbywają się bez udziału
czynników zewnętrznych.
Przemiany samoistne mogą się odbywać tylko wtedy, gdy
układ nie jest w stanie równowagi termodynamicznej.
Układ w stanie równowagi termodynamicznej może ulec
przemianie tylko na skutek działania czynników zewnętrznych.
� Prof. Antoni Kozioł,Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 16
STAN UKAADU I PRZEMIANA
TERMODYNAMICZNA
Przemianę termodynamiczną charakteryzują:
a) przyrosty parametrów stanu
b) wielkości opisujące wymianę między układem a otoczeniem
(parametry przemiany)
� Prof. Antoni Kozioł,Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 17
WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I
INTENSYWNE
Wielkości termodynamiczne (zarówno parametry stanu jak i wielkości
opisujące przemiany) dzielą się na dwie ważne grupy:
" Wielkości ekstensywne wielkości X spełniające następujące własności:
1 - są określone na zbiorach przestrzennych mają charakter globalny
2 - są addytywne (bilansowalne) tzn. spełniają relację
X( ) X( ) X( )
1 2
1
U�
1 2
2
3 - są jednorodne ze względu na masę substancji zawartej w układzie
X ( m) X (m)
0
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 18
WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I
INTENSYWNE
Wielkości intensywne wielkości x spełniające następujące własności:
1 - są określone dla punktów przestrzennych mają charakter
lokalny
x f (M) M
W przypadku gdy opisujemy wielkość intensywną układu
termodynamicznego będącego zbiorem przestrzennym �
zakłada się że:
- albo dana wielkość x jest taka sama w każdym punkcie
zbioru � (tzw. doskonałe wymieszanie),
- albo też dla całego zbioru określa się wartość średnią:
1
x( ) x(M )dV
V ( )
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 19
WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I
INTENSYWNE
2� - nie są addytywne (bilansowalne) tzn.:
x( ) x( ) x( )
12
3 - nie zależą od masy substancji zawartej w układzie
x( m) x(m) 0
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 20
WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I
INTENSYWNE
Iloraz dwu wielkości ekstensywnych
zawsze jest wielkością intensywną !
X1( )
x( )
X2( )
Iloraz lub iloczyn dwu wielkości intensywnych pozostaje zawsze wielkością
intensywną !
x1
x1 x2 x3 lub x3
x2
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 21
WIELKOŚCI MIERZALNE I
KONCEPTUALNE
Inny podział wielkości termodynamicznych wiąże się z możliwością
ich eksperymentalnego pomiaru. Zgodnie z tym podziałem mamy
wielkości mierzalne i konceptualne.
Wielkości mierzalne to takie, które możemy bezpośrednio z odpo-
wiednią dokładnością zmierzyć za pomącą odpowiednich przyrządów
pomiarowych. Mierzalne są np. temperatura, ciśnienie i objętość.
Wielkości konceptualne to takie dla których określenia konieczna
jest pewna procedura zawierająca różne założenia i konwencje.
Konceptualne są takie wielkości jak energia wewnętrzna, entropia
czy fugatywność.
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 22
PARAMETRY STANU
1. Temperatura T, [K] parametr intensywny, wielkość mierzalna
Temperatura jest to podstawowy parametr stanu określający zdolność układu
do przekazywania ciepła czyli energii chaotycznego ruchu cząsteczek.
2. Ciśnienie p, [Pa] parametr intensywny, wielkość mierzalna
Ciśnienie jest to drugi podstawowy parametr stanu określający zdolność układu
do wykonywania pracy tzn. do przekazywania energii na sposób mechaniczny.
3. Objętość V, [m3] parametr ekstensywny, wielkość mierzalna
Objętość układu jest określona przez objętość przestrzeni zajmowanej przez układ.
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 23
PARAMETRY STANU
4. Energia wewnętrzna U, [J] parametr ekstensywny, wielkość
konceptualna.
Energia wewnętrzna jest to całkowita energia zawarta w układzie
pomniejszona o jego energię kinetyczną związaną z ruchem i potencjalną
związaną z położeniem całego układu.
U Ec (Ek Ep )
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 24
PARAMETRY STANU
W skład energii wewnętrznej wchodzą m.in.:
- sumaryczna energia kinetyczna wszelkich chaotycznych ruchów
poszczególnych cząsteczek i atomów,
- sumaryczna energia stanów elektronowych wszystkich cząsteczek
i atomów,
- sumaryczna energia potencjalna oddziaływań między wszystkimi
cząsteczkami i atomami,
- sumaryczna energia jądrowa związana z możliwością przebiegu
reakcji jądrowych.
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 25
PARAMETRY STANU
5. Entalpia H, [J] parametr ekstensywny, wielkość konceptualna.
Entalpia jest pomocniczą wielkością energetyczną układu zaproponowaną przez
Gibbsa, której definicja jest następująca:
H U pV
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 26
PARAMETRY STANU cd.
6. Entropia S, [J/K] parametr ekstensywny
Entropia jest to fundamentalny parametr termodynamiczny wprowadzony
przez Clausiusa. Entropia ma dwie interpretacje. Klasyczna definicja Clausiusa
określa zmianę entropii w różniczkowej przemianie odwracalnej:
Q
Q - elementarne ciepło wymienione podczas
dS
przemiany różniczkowej
T
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 27
Rudolf Clausius 1822 - 1888
28
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej
PARAMETRY STANU cd.
Druga definicja entropii zaproponowana przez Boltzmanna wiąże się ze
statystycznym rozkładem poziomów energetycznych cząstek zawartych
w układzie. Popularnie, aczkolwiek nie całkiem ściśle, entropia jest określana
jako miara nieuporządkowania (chaosu) w układzie.
S k ln( )
E
- liczba dostępnych mikrostanów na które może się rozkładać
E
energia wewnętrzna układu
J
23
k 1.38065 10 - stała Boltzmanna
K
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 29
PARAMETRY STANU cd.
Ludwig Boltzmann 1844 - 1906
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 30
PARAMETRY STANU cd.
Słynny wzór definiujący
entropię został wyryty
na jego nagrobku na
cmentarzu w Wiedniu
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 31
PARAMETRY STANU cd.
7. Energia swobodna A, [J] parametr ekstensywny
Energia swobodna, nazywana też energią Helmholtza
jest to pochodna wielkość energetyczna określona wzorem:
A U TS
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 32
PARAMETRY STANU cd.
Herman von Helmholtz 1821 - 1894
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 33
PARAMETRY STANU cd.
8. Entalpia swobodna G, [J] parametr ekstensywny
Entalpia swobodna, nazywana też energią Gibbsa jest to
pochodna wielkość energetyczna określona wzorem:
G H TS
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 34
PARAMETRY STANU cd.
Willard Gibbs 1839 - 1903
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 35

Wyszukiwarka