Term proc i tech WYKLAD I 2

TERMODYNAMIKA PROCESOWA I
TECHNICZNA
Wykład I - 2
Podstawowe definicje i pojęcia
termodynamiczne
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej
1
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 2
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 3
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 4
Przykład układu termodynamicznego:
cylinder w silniku spalinowym
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 5
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 6
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 7
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 8
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 9
STAN UKAADU I PRZEMIANA
TERMODYNAMICZNA
Przykładem przemiany termodynamicznej może być proces
sprężania gazu w cylindrze silnika spalinowego:
� Prof. Antoni Kozioł,Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 10
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 11
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 12
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 (W�) =� X (W�1) +� X (W�2)
W�1
W� =� W�1 U� W�2
W�2
3� - są jednorodne ze względu na masę substancji zawartej w układzie
X (l�m) =� l�X (m)
l� ł� 0
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 13
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�
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(W�) =� x(M )dV
��
V (W�)
W�
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 14
WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I
INTENSYWNE
2� - nie są addytywne (bilansowalne) tzn.:
x(W�) ą� x(W�1) +� x(W�2)
3� - nie zależą od masy substancji zawartej w układzie
x(l�m) =� x(m)
l� ł� 0
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 15
WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I
INTENSYWNE
Iloraz dwu wielkości ekstensywnych
zawsze jest wielkością intensywną !
X1(W�)
=� x(W�)
X (W�)
2
Iloraz lub iloczyn dwu wielkości intensywnych pozostaje zawsze wielkością
intensywną !
x1
x1 �� x2 =� x3 lub =� x3
x2
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 16
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 17
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 18
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 19
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 20
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 21
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:
d�Q
d�Q - elementarne ciepło wymienione podczas
dS =�
przemiany różniczkowej
T
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 22
Rudolf Clausius 1822 - 1888
23
� 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(W�E )
W�E - liczba dostępnych mikrostanów na które może się rozkładać
energia wewnętrzna układu
J
k =�1.38065 ��10-�23 - stała Boltzmanna
K
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 24
PARAMETRY STANU cd.
Ludwig Boltzmann 1844 - 1906
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 25
PARAMETRY STANU cd.
Słynny wzór definiujący
entropię został wyryty
na jego nagrobku na
cmentarzu w Wiedniu
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 26
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 27
PARAMETRY STANU cd.
Herman von Helmholtz 1821 - 1894
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 28
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 29
PARAMETRY STANU cd.
Willard Gibbs 1839 - 1903
� Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 30

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Term proc i tech WYKLAD II
Term proc i tech WYKLAD X
Term proc i tech WYKLAD I
Term proc i tech WYKLAD III
Term proc i tech WYKLAD X
Term proc ME WYKLAD VII
Term proc i tech W IV
Term proc i tech W V
tech mikro wyklad
tech int 3 wyklad 5
tech mikro wyklad
tech mikro wyklad
tech mikro wyklad 07 SPI
Wykład Tech Światło
1 wykład mech tech(1)id088
Tech tech chem11[31] Z5 06 u
Sieci komputerowe wyklady dr Furtak
Wykład 05 Opadanie i fluidyzacja

więcej podobnych podstron