1. Klasyfikacja układów termodynamicznych z punktu widzenia wymiany energii i substancji

z otoczeniem.

- układ odosobniony(izolowany) - jest oddzielony od otoczenia osłoną uniemożliwiającą zarówno przepływ substancji, jak i przepływ ciepła

- układ zamkniety - nie jest możliwy przpływ substancji przez jego granice

- układ otwarty - jest możliwy przepływ substancji przez jego granice

- układ przpływowy - układ otwarty, przez którego granice przepływa substancja do wewnątrz i na zewnątrz

- układ adiabatyczny - układ o osłonach przenikliwych tylko dla pracy, nie ma przepływu ciepła przez granice układu

2. Parametry ekstensywne, podać przykłady z jednostkami.

Parametry ekstensywne są określone dla całej objętości ciała. Zależą one od ilości substancji tworzącej ciało. Mogą zmieniać się w czasie. Przykłady: masa, objętość, energia wewnętrzna, entalpia, entropia

3. Parametry intensywne, podać przykłady z jednostkami.

Parametry te są niezależne od wielkości układu. Mogą zmieniać się w czasie i przestrzeni. Przykłady: temperatura, ciśnienie, gęstość, objętość właściwa.

4. Co to jest termiczne równanie stanu? Podać postać równania Clapeyrona.

Jest to zapis związków między parametrami termicznymi.

pV=mRT (R - indywidualna stała gazowa[J/(kgK)])

pV=nBT B- uniwersalna stała gazowa [8314,3J/(kmolK)]

5. Kaloryczne równania stanu.

Są to zależności funkcyjne do określania: energii wewnętrznej, entalpii, entropii w funkcji parametrów termicznych. u=u(T,p), i=i(T,p), s=s(T,p).

Dwie zmienne niezależne (najczęściej temperatura i ciśnienie) - trzecia (objętość właściwa)

wyrugowana z wykorzystaniem termicznego równania stanu.

6. Ciepło i praca - definicje.

Praca i ciepło to formy przekazywania energii.

Praca - wszystkie działania między układem a jego otoczeniem, równoważne zmianie położenia ciężaru, znajdującego się poza układem, względem poziomu odniesienia.

Ciepło zewnętrzne układu - działania otoczenia na układ zamknięty, które nie mogą być zaliczone do różnego rodzaju prac.

7. Prawo Avogadra.

Liczby cząsteczek (molekuł) w jednakowej objętości różnych gazów doskonałych w tych samych warunkach termicznych (p, T) są jednakowe.

W warunkach fizycznych (273,15, 1 atm. = 101325 Pa) objętość molowa każdego gazu doskonałego wynosi 22,41 [m3/kmol]

8. Zerowa zasada termodynamiki. Jakie jest praktyczne wykorzystania zerowej zasady

termodynamiki?

Jeżeli dwa ciała znajdują się w stanie równowagi z trzecim ciałem, to są one w stanie równowagi między sobą.

Praktyczne zastosowanie: termometr

9. Rodzaje punktów stałych na praktycznej skali temperatury (bez podawania wartości).

- punkt potrójny wodoru

- punkt wrzenia wodoru

- punkt wrzenia neonu

- punkt potrójny tlenu

- punkt wrzenia tlenu

- punkt potrójny wody

- punkt wrzenia wody

- punkt topnienia cynku

- punkt topnienia srebra

- punkt topnienia złota

10. Ciśnienie manometryczne, podciśnienie.

Ciśnienie manometryczne - ciśnienie wskazywane przez manometr - jest to różnica pomiędzy ciśnieniem bezwzględnym a atmosferycznym.

Podciśnienie - ciśnienie wskazywane przez wakuometr - jest to różnica pomiędzy ciśnieniem atmosferycznym a ciśnieniem bezwzględnym.

11. I zasada termodynamiki dla układu zamkniętego - zależność, opis wielkości.

ΔE=Q-L; ΔE- zmiana energii układu po czasie t

Q - energia wymieniana z otoczeniem na sposób ciepła(+ ciepło doprowadzone; - ciepło odprowadzone do otoczenia)

L- Energia wymieniana z otoczeniem w postaci pracy (+praca wykonana przez układ; -praca wykonana nad układem

12. Energia wewnętrzna - jakie formy energii składają się na energię wewnętrzną?

- energia kinetyczna ruchu postępowego i obrotowego molekuł

- energia ruchu drgającego atomów w molekułach

- energia potencjalna - energia oddziaływań(przyciągania się) molekuł

- energia chemiczna - związana ze zmianami budowy chemicznej molekuł

- energia stanów elektronowych

- energia jądrowa - związana ze zmianami budowy jąder atomów

13. Praca zmiany objętości - definicja oraz graficzna interpretacja na wykresie p-v.

14. Praca techniczna - definicja oraz graficzna interpretacja na wykresie p-v.

Jest to praca wykonywana w układach otwartych uwzględniająca oprócz pracy zewnętrznej także pracę związana z doprowadzeniem czynnika do układu oraz odprowadzeniem czynnika z układu.

Dla układu zamkniętego praca techniczna jest wielkością matematyczną, która nie ma interpretacji fizycznej , natomiast ma interpretację fizyczną dla układu przepływowego w stanie ustalonym.

15. Pojemność cieplna przemiany termodynamicznej, ciepło właściwe przemiany, jednostki.

Pojemność cieplna przemiany to stosunek całkowitego ciepła przemiany do przyrostu temperatury podczas tej przemiany. Gdy przyrost temperatury jest skończony to jest to mówimy o średniej pojemności cieplnej przemiany.

Ciepło właściwe przemiany(pojemność cieplna właściwa) - stosunek całkowitego ciepła przemiany do ilości substancji wykonującej przemianę oraz do przyrostu temperatury podczas tej przemiany.

Jednostki: J/(kg*K) ; J/(m3*K); J(kmol*K)

16. Obieg termodynamiczny, ciepło obiegu, praca obiegu.

Obieg termodynamiczny to zespół kolejnych przemian, po wykonaniu których stan czynnika w układzie zamkniętym powraca do wyjściowego. Obrazem geometrycznym obiegu na wykresie, na którego osiach odłożono parametry stanu jest linia zamknięta.

Ciepło obiegu - algebraiczna suma ciepła wszystkich przemian tworzących obieg

Praca obiegu - algebraiczna suma prac wszystkich przemian tworzących obieg

Całkowite ciepło obiegu pokrywa stratę energii wewnętrznej zużytą na wykonanie pracy obiegu a więc jest równe całkowitej pracy obiegu.

17. Sprawność teoretyczna obiegu silnikowego (definicja).

Sprawność to stosunek pracy do ciepła doprowadzonego(stosunek uzyskanego efektu działania do środków zużytych w tym celu)

18. Współczynnik wydajności obiegu lewobieżnego - chłodniczego (definicja).

Jest to stosunek ciepła doprowadzonego do czynnika do bezwzględnej wartości pracy zewnętrznej obiegu.

19. Perpetuum mobile I rodzaju

Urządzenie, które wytwarza więcej energii niż zużywa(wykonuje pracę bez pobierania energii z zewnątrz lub wytwarza więcej energii niż pobiera).

Skonstruowanie takiego urządzenia jest niemożliwe.

20. I zasada termodynamiki dla układu otwartego- zależność, opis wielkości.

ΔU=Q-L+I

Zmiana energii układu po czasie t= energia wymieniana z otoczeniem na sposób ciepła-praca wykonywana nad układem(przez układ)+energia doprowadzona do układu z substancją

Tempo zmian energii układu(w czasie)=strumień ciepła wymienianego z otoczeniem-moc układu+strumień energii doprowadzonej do układu z substancją

21. Bilans energii dla układu otwartego pracującego w stanie ustalonym.

W tym stanie energia układu nie zmienia się, suma strumieni substancji wpływającej jest równa sumie strumieni substancji wypływającej

0=Q-Lt+Iwe-Iwy

22. Sformułowania II zasady termodynamiki.

Sformułowanie Kelwina-Plancka:

Nie jest możliwe skonstruowanie urządzenia działającego periodycznie(realizującego obieg termodynamiczny), które wykonywałaoby pracę pobierając ciepła z jednego tylko źródła ciepła.

Sformułowanie Clausiusa:

Nie jst możliwe skonstruowanie urządzenie, którego jedynym efektem działania byłby transport energii na sposób ciepła z układu o niższej temperaturze do układu o wyższej temperaturze.

Sformułowanie W. Oswalda

Perpetuum mobile drugiego rodzaju nie jest możliwe.

Sformułowanie E. Schmidt'a:

W żaden sposób nie można w pełni odwrócić procesu, w którym ciepło powstaje w wyniku tarcia.

Ekspansja gazu bez wykonywania pracy zewnętrznej i doprowadzania ciepła z zewnątrz nie może być w żaden sposób w pełni odwrócona.

Jest to zawarte w ogólniejszym sformułowaniu:

Wszystkie proces, w których występuje dyssypacja energii lub pracy (istniejącej lub teoretycznie możliwej do uzyskania) są nieodwracalne.

23. Perpetuum mobile II rodzaju.

Jest to maszyna wykonująca pracę kosztem ciepła pobieranego z jednego źródła(silnik o sprawności równej 1).

24. Definicja procesu odwracalnego.

Proces w którym można powrócić od stanu końcowego do stanu początkowego w taki sposób, że i otoczeniu zostaje przywrócony stan pierwotny.

25. Źródła nieodwracalności procesów fizycznych.

- wymiana ciepła przy skończonej (niezerowej) różnicy temperatury

- ekspansja gazu(płynu) bez wykonywania pracy zewnętrznej

- proces miesznia substancji- tarcie(między ciałami stałymi lub przy przepływie płynu)

- reakcje chemiczne przebiegające w sposób naturalny

- dyssypacja energii elektrycznej w przewodnikach

- magnetyzacja i polaryzacja z histerezą

- deformacja plastyczna

26. Sprawność obiegu Carnota.

Zależy tylko od parametrów(temperatury) źródeł ciepła

;

27. Obieg Carnota - rodzaje przemian termodynamicznych składających się na obieg.

Każdy obieg Carnota skład się z czterech wewnętrznie odwracalnych przemina: dwóch przemian adiabatycznych i dwóch izotermicznych.

1-2 - adiabatyczne sprężanie

2-3 izotermiczne rozprężanie

3-4 adiabatyczne rozprężanie

4-1 izotermiczne sprężanie

28. Obieg Carnota we współrzędnych p-v i T-s.

29. Definicja entropii.

Entropia jest ekstensywna funkcją stanu[J/K}, entropia właściwa[J/(kg*K)]

30. Sprawność izentropowa procesu rozprężania (w turbinie); sprawność izentropowa procesu

sprężania (w sprężarce).

Sprawność izentropowa procesu rozprężania - stosunek nieodwracalnego spadku entalpii do izentropowego spadku entalpii od tego samego stanu początkowego do taiego samego ciśnienia końcowego.

Sprawność izentropowa procesu sprężania - stosunek izentropowego wzrostu entalpii do nieodwracalnego adiabatycznego wzrostu entalpii od tego samego stanu początkowego do takiego samego ciśnienia końcowego.

31. Gaz dokonały - charakterystyka.

Jest to uproszczony model gazów rzeczywistych i par.

Zbiorowisko jednakowych cząsteczek poruszających się bezwładnie w róznych kierunkach, zderzających się sprężyście między sobą i ze ściankami naczyna.

Objętość cząstek jest pomijalnie małą w porównaniu z objestością naczynia. (masa nie jest pomijalnie mała)

Nie ma oddziaływań miedzy cząsteczkami(brak sił miedzycząsteczkowych)

Obowiązuje zasada ekwipartycji energii

Właściwości można opisać:

- równaniem Clapeyrona

- prawem Avogadra

Gaz ma stałe ciepło właściwe

Zakres stosowalności modelu gazu doskonałego: ciśnienie: 20-30 bar, temperatury do kilkuset stopni C

32. Różnica między gazem doskonałym a półdoskonałym.

Gaz półdoskonały to gaz doskonały, którego ciepło właściwe jest funkcją temperatury i uwzględnione są drgania w cząsteczkach

33. Różnica między gazem doskonałym a rzeczywistym.

Przy gazie rzeczywistym uwzględnia się oddziaływania miedzycząsteczkowe oraz wymiary cząsteczek. W gazie rzeczywistym ciepło właściwe jest funkcja temperatury i ciśnienia. Właściwości gazu doskonałego opisuje równanie Clapeyrona a gazu rzeczywistego m.in. równanie van der Waalsa.

34. Zasada ekwipartycji energii

Enegria rozkłada się równomiernie na wszystkie możliwe ruchy cząsteczek(ruch postępowy, obrotowy, drgający - stopnie swobody)

Lub

Molowa pojemność cieplna właściwa gazów doskonałych w stałej objętości jest wielkością stała, proporcjonalna do liczby stopni swobody f.

35. Ciśnienie cząstkowe (parcjalne). Prawo Daltona.

Ciśnienie cząstkowe - ciśnienie jakie wywierałby składnik maieszanimy gazow doskonałych gdyby w danej temperaturze sam zajmowałby cała objestość.

Prawo Daltona: Całkowiete ciśnienie mieszaniny gazów jest róne sumie ciśnień cząstkowych.

36. Prawo Amagata.

Objętość mieszanimy gazów doskonałych jest równa sumie objętości wszystkich jego składników ptzy ciśnieniach i temperaturach takich samych jak mieszaniny.

37. Przemiana politropowa gazu doskonałego. Równanie politropy.

Przemiana w której związek między ciśnieniem a objętościa wyraża się wzorem:

n- wykładnik politropy

W zaleności od przemiany wykładnik może przyjmowac wartości od -∞ do +∞.

W danej przemianie wartość n jest stała.

Dla gazów doskonałych równanie politropy można przedstawić w postaci:

38. Szczególne przypadki przemiany politropowej. Wykresy we współrzędnych p-v i T-s.

n-0; p=idem - przemiana izobaryczna

n=1; pv=idem - przemiana izotermiczna

n=+-∞; v=idem - przemiana izochoryczna

n=κ - przemiana izentropowa(adiabatyczna)

39. Obieg porównawczy współczesnych silników z zapłonem samoczynnym - obieg Sabathe

(wykresy we współrzędnych p-v i T-s).

40. Obieg porównawczy Otto (wykresy we współrzędnych p-v i T-s).

Parametr charakterystyczny: stopień sprężania:

41. Obieg Braytona (turbina gazowa) z odwracalnym i nieodwracalnym procesem sprężania i

rozprężania - wykres we współrzędnych T-s.

42. Sprężanie z chłodzeniem międzystopniowym - pokazać korzyści na wykresie p-v.

- obniżenie temperatury konca spalania

-zmniejszenie pracy potrzebnej do sprężąnia danej ilości czynnika

43. Wykres fazowy w układzie współrzędnych p-T. Opisać linie i punkty charakterystyczne.

P - punkt potrójny

K - punkt krytyczny

44. Przykłady równań stanu gazu rzeczywistego.

Równanie van der Waalsa:

Równanie Redlich-Kwonga

Równanie Berthelota

45. Różnice między gazem doskonałym a rzeczywistym ujęte w równaniu van der Waalsa

(w stosunku do równania Clapeyrona).

Równanie van der Waalsa uwzględnia siły oddziaływania międzycząsteczkowego oraz skończoną objętość cząstek.(czynniki te ujawniaja się przy wyższych temperaturach, podwyższonym ciśnieniu i wyższych gęstościach i model gazu doskonałego zawodzi )

46. Jakie efekty ujęte są wartościami współczynników wirialnych w wirialnym równaniu stanu?

Wartościami współczynników wirialnych są ujęte oddziaływania miedzy cząsteczkami. Każdy współczynnik odpowiada sumowaniu oddziaływań między sobą odpowiedniej liczby cząstek (współczynnik B między dwiema, C- trzema itd.)

47. Efekt Joule'a-Thomsona. Różnicowy i różniczkowy efekt J-T. Co to jest temperatura

inwersji?

Efekt J-T: zmiana temperatury gazu w procesie adiabatycznego dławiena (rozprężanie izentalpowe, bez wymiany ciepła z otoczenim i bez wykonywania pracy).

W czasie dławienia gazu (rozprężania) zwiększa się odległość między cząsteczkami, czym związanie są dwa efekty:

1. Zwiększenie energii potencjalnej na skutek zwiększenia odległości miedzy przyciągającymi się czasteczkami,

2. W czasie zderzeń między cząsteczkami następuje chwilowa zamiana energii kinetycznej na potencjalną; rozprężenie gazu zmniejsza częstotliwość zderzeń a tym samym energia kinetyczna w mniejszym stopniu zamienia się na energię potencjalną

Różniczkowy efekt J-T zależność współczynnika J-T od temperatury i ciśnienia(p do 0,6 MPa i t od 273 do 373 K)

Różnicowy efekt J-T - nie ma takiego pojęcia może chodziło o całkowy efekt J-T

Całkowy efekt J-T - spadek temperatury ptzy dławieniu adiabatyczno-izentalpowym od ciśnienia p1 do ciśnienia p2

Temperatura inwersji- graniczna temperatura powyżej której dominuje mechanizm nr 2( brak możliwości konwersji energii kin. na potencjalna uwidacznia się wzrostem temperatury) a piniżej której dominuje mechanizm nr 1(i wzrostowi energii potencjalnej towarzyszy spadek temperatury)

48. Dlaczego nie można ochłodzić gazu doskonałego wykorzystując efekt Joule'a-Thomsona?

Dla gazów doskonałych współczynnik J-T jest równy 0; temperatura nie zmienia się w procesie dławienia( entalpia gazu doskonałego zależy tylko od jego temperatury)

49. Para wilgotna. Parametry określające stan pary wilgotnej.

Para wilgotna - mieszanina pary suchej nasyconej i wrzącej cieczy o tym samym ciśnieniu (tej samej temperaturze)- obszar między punktem pęcherzyków a punktem rosy.

Parametry pary wilgotnej są wyznaczane na podstawie parametrów cieczy w stanie wrzenia, parametrów pary suchej nasyconej przy tym samym ciśnienu i wartości stopnia suchości:

Stopień suchości:

50.

51.
52. Sposoby zwiększania sprawności obiegu siłowni parowej:
• Zwiększenie temperatury przegrzania pary
• Zwiększenie ciśnienia pary dopływającej od turbiny
• Zastosowanie międzystopniowego przegrzewu pary
• Zmniejszenie ciśnienia w skraplaczu
• Zastosowanie regeneracji ciepła

53.
Dławienie: zawór dławiący
Odprowadzanie ciepła do górnego źródła : Wymiennik ciepła - skraplacz
Sprężanie : sprężarka
Pobieranie ciepła z dolnego źródła: Wymiennik ciepła - parownik
54.
Parametry powietrza wilgotnego
Wilgotność bezwzględna
Stosunek masy pary wodnej (wyrażonej w g) do objętości powietrza
wilgotnego - jednostką jest g/m3.
Inaczej: gęstość pary wodnej w temperaturze powietrza wilgotnego oraz pod ciśnieniem cząstkowym pary.
Korzystając z równania stanu dla gazu doskonałego, można zapisać

Maksymalna wartość wilgotność bezwzględnej jest równa gęstości pary suchej nasyconej
Wilgotność względna
Stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej w danym stanie do ciśnienia
cząstkowego pary w stanie nasycenia (w tej samej temperaturze):

Przy założeniu, że powietrze wilgotne (oraz jego składniki) zachowują się jak gaz doskonały miarą wilgotności względnej jest również stosunek gęstości pary wodnej w danym stanie powietrza wilgotnego do gęstości pary w stanie nasycenia
Zawartość wilgoci (stopień zawilżenia)
Stosunek masy wody zawartej w powietrzu do 1 kg powietrza suchego,
przy czym uwzględnia się wodę występującą pod różnymi postaciami
(para przegrzana lub para nasycona oraz mgła)

Stopień nasycenia
Stosunek aktualnej zawartości wilgoci w powietrzu do zawartości wilgoci w stanie nasycenia:


Pozorna masa cząsteczkowa powietrza wilgotnego:
M = Mg*rg+ Mp* RP
Stała gazowa jest funkcją stałych gazowych powietrza i pary wodnej oraz udziałów masowych (tutaj oznaczenie g)
R= R g*gg+ Rp* gp
Lub
R=B/M
Entalpia powietrza wilgotnego, odniesiona do jednostki masy powietrza suchego [kJ/kgg], lub (1+x) kg powietrza wilgotnego, jest określona wzorem
Gęstość gazu wilgotnego jest równa sumie gęstości składników przy ich ciśnieniach składnikowych:

Objętość właściwa
Objętość (1 + x) kg wilgotnego gazu, czyli 1 kg suchego gazu wynosi:
55. Psychrometr Assmanna:
Składa się on z dwóch termometrów, tzw. suchego i mokrego.
Termometr mokry jest owinięty wilgotną koszulką z gazy.
W bezpośrednim sąsiedztwie tego termometru ustala się stan nasycenia powietrza parą wodną na skutek parowania wody z koszulki. Proces parowania wody powoduje obniżenie temperatury w otoczeniubtermometru - jego wskazanie jest więc niższe niż termometru suchego. Intensywność parowania, a więc i różnica wskazań termometrów, zależy od stopnia „suchości” powietrza (wilgotności względnej). Jeżeli powietrze jest nasycone (ϕ = 1), to parowanie wilgoci z koszulki termometru wilgotnego nie występuje i wskazania termometrów są jednakowe. Wilgotność względna powietrza jest określana z tablic psychrometrycznych (lub z wykresu) na podstawie temperatury termometru suchego oraz różnicy wskazań termometrów suchego i mokrego.

56. Przedstawienie stanu powietrza wilgotnego w formie graficznej na wykresie w układzie współrzędnych h-x (inna nomenklatura spotykana w literaturze fachowej opisuje wykres w układzie i-x ), gdzie x oznacza zawartość wilgoci w powietrzu suchym (oś odcięta), h (lub i) oznacza entalpię właściwą (oś rzędna).
Podgrzewanie

57.Ciepło spalania jest to ilość ciepła otrzymana ze spalenia całkowitego i zupełnego jednostki ilości paliwa przy stałym ciśnieniu, gdy spaliny zostaną ochłodzone do temperatury początkowej substratów
Oznaczenie: Qc, Wt ; jednostki, MJ/kg, MJ/kmol, MJ/Nm3 [normalny metr sześcienny]
Wartość opałowa jest to ilość ciepła otrzymana ze spalenia całkowitego i zupełnego jednostki ilości paliwa przy stałym ciśnieniu, gdy spaliny zostaną ochłodzone do temperatury początkowej substratów, a para wodna zawarta w spalinach nie zostanie skroplona
Oznaczenie: Qw, Wu ; jednostki, MJ/kg, MJ/kmol, MJ/Nm3
Dla paliw stałych i ciekłych wartość opałową można wyznaczyć z zależności :
Qw =Q c-2500(9H+ W) kJ/kg p.
58.Spalanie zupełne to spalanie do produktów niepalnych.
Spalanie całkowite ma miejsce, gdy w produktach spalania nie ma stałych składników palnych (nie spalony węgiel w popiele, sadza). Stopień niecałkowitego spalania x stosunek ilości niespalonego węgla do ilości węgla zawartego w paliwie (w spalaniu bierze udział część węgla (1-x))
59.

Temperatura spalania jest czynnikiem wpływającym na wydajność procesu spalania, dlatego dąży się do jej podwyższania.
Podwyższenie temperatury spalania można osiągnąć przez:
• Zwiększenie temperatury powietrza i paliwa,|
• Zapewnienie spalania zupełnego i całkowitego przy jak najmniejszej
wartość współczynnika nadmiaru powietrza (najbliższej 1),
• Zastosowanie tlenu zamiast powietrza, lub wzbogacenie powietrza tlenem,
• Izolowanie cieplne komory spalania,
60.
Współczynnik nadmiaru powietrza: stosunek aktualnej (rzeczywistej)
ilości powietrza doprowadzonej do komory spalania (w danej mieszaninie z paliwem) do ilości stechiometrycznej - teoretycznej:
λ = L/Lt=Orz/Ot

---