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

Układem termodynamicznym nazywamy wyodrębniony w przestrzeni, za pomocą osłony kontrolnej (bilansowej) obszar materii, stanowiący przedmiot rozważań.

Klasyfikujemy je następująco:

1. odosobniony- jest oddzielony od otoczenia osłoną uniemożliwiającą zarówno przepływ substancji jak i ciepła;

2. zamknięty- nie jest możliwy przepływ substancji przez jego granicę;

3. otwarty- możliwy przepływ substancji przez jego granicę;

4. przepływowy- układ otwarty, przez którego granicę przepływa substancja do wnętrza i na zewnątrz;

5. adiabatyczny- nie jest możliwa wymiana (przepływ) ciepła między układem a otoczeniem.

Parametry ekstensywne, podać przykłady z jednostkami.

2. Parametry ekstensywne, podać przykłady z jednostkami.

Parametry ekstensywne inaczej globalne zależą od ilości substancji stanowiącej układ, są określone dla całej objętości ciała. Mogą się one zmieniać w czasie.

Przykłady:

1. masa m [kg]

2. objętość V [m³]

3. energia wewnętrzna U [J]

4. entalpia I [J]

5. entropia S [J]

3. Parametry intensywne, podać przykłady z jednostkami.

Parametry intensywne nie zależą od ilości substancji stanowiącej układ, nie zależą od wielkości układu. Parametry te mogą zmieniać się w czasie i przestrzeni.

Przykłady:

1. temperatura T [^oC, K]

2. ciśnienie p [Pa lub bary]

3. gęstość [
   ]

4. objętość właściwa v [
   ]

5. entalpia i i entropia s właściwa [
   ]

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

Termiczne równanie stanu jest to związek między temperaturą, ciśnieniem i objętością właściwą danej substancji.

Równanie Clapeyrona ma postać:

gdzie B- uniwersalna stała gazowa równa 8314,5
,

R- indywidualna stała gazowa równa iloczynowi
.

5. Kaloryczne równania stanu.

Kaloryczne równania stanu to zależności funkcyjne służące do określenia: energii wewnętrznej, entalpii, entropii w funkcji parametrów termicznych:

Występują tu 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, a nie postacie energii. Nie są to parametry stanu, ponieważ ilość wymienionego ciepła lub ilość wykonanej pracy zależy od przebiegu przemiany (od historii układu). Praca i ciepło przestają istnieć z chwilą zakończenia wykonywania pracy lub przepływu ciepła. Pozostaje tylko skutek tych zjawisk: zmieniona wartość energii ciał uczestniczących w zjawiskach.

Energia to własność materii, jest funkcją stanu układu.

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

Innymi słowy: praca jest to takie oddziaływanie energetyczne, występujące między układem zamkniętym a otoczeniem, którego efekt daje się zredukować wyłącznie do zmiany położenie ciężaru znajdującego się w otoczeniu.

Ciepło zewnętrzne układu - działania otoczenia na układ zamknięty, które nie mogą być zaliczane do różnego rodzaju prac. Jest to więc forma przekazywania energii inna niż praca. Przekazywanie energii w postaci ciepła z jednego układu do drugiego możliwe jest, gdy temperatury tych układów różnią się między sobą.

7. Prawo Avogadra.

Prawo Avogadra jest kolejnym prawem spełnianym przez gazy doskonałe:

„W jednakowych objętościach znajduje się taka sama ilość cząsteczek (molekuł) dowolnego gazu doskonałego, jeśli ciśnienia i temperatury tych gazów są jednakowe.”

Innymi słowy:

„W stałej temperaturze i pod stałym ciśnieniem takie same objętości gazów doskonałych zawierają takie same liczby cząsteczek”

W normalnych warunkach fizycznych

objętość molowa każdego gazu doskonałego wynosi
.

Można zdefiniować liczbę Avogadra, która określa liczbę cząsteczek (atomów) zawartych w 1 molu dowolnej substancji. Jest ona co do wartości równa liczbie atomów węgla ¹²C w masie 0,012kg.

8. Zerowa zasada termodynamiki. Jakie jest praktyczne wykorzystanie zerowej zasady termodynamiki?

Zerowa zasada termodynamiki:

„Jeśli dwa ciała znajdują się w stanie równowagi z trzecim ciałem to są one w stanie równowagi między sobą.”

Oznacza to, że jeśli temperatura dwu układów jest taka sama jak temperatura trzeciego układu, to oba te układy mają jednakową temperaturę.

Praktycznym wykorzystaniem tej zasady jest termometr. Jego działanie jest oparte właśnie na tej zasadzie- ciecz lub gaz posiadający własności rozszerzalności cieplnej wykorzystywany w termometrze znajduje się w równowadze termicznej z obudową termometru, obudowa z kolei ma taką samą temperaturę jak otoczenie- co za tym idzie ciecz ta lub gaz ma temperaturę otoczenia. Stosując odpowiednią skalę można określić temp otoczenia.

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

Punkty stałe są to procesy (izotermiczne przemiany fazowe) lub stany termodynamiczne (punkty potrójne - stan współistnienia trzech stanów skupienia), których temperatury charakterystyczne są jednoznacznie określane. Poza punktami 0^oC oraz 100^oC ustalono wiele punktów stałych, którymi są temperatury wrzenia lub topnienia niektórych ciał, przy czym rozróżnia się punkty podstawowe i pomocnicze.

Punkt potrójny wody nazywa się punktem standardowym. Wynosi on 0,01^oC

Np. punkty wrzenia wody, tlenu, neonu, wodoru, punkty potrójne wody, tlenu, wodoru, punkty topnienia cynku, srebra, złota.

10. Ciśnienie manometryczne, podciśnienie.

Ciśnieniem nazywamy stosunek siły do powierzchni, na którą działa dana siła. Jednostką jest
.

Ciśnienie manometryczne jest to nadciśnienie mierzona w stosunku do ciśnienia atmosferycznego. To różnica między ciśnieniem bezwzględnym a atmosferycznym w przypadku gdy ciśnienie bezwzględne jest większe niż atmosferyczne. Do pomiaru nadciśnienie używa się manometru.

Podciśnienie jest to różnica między ciśnieniem atmosferycznym a ciśnieniem bezwzględnym w przypadku, gdy jest ono mniejsze od atmosferycznego. Do pomiaru podciśnienia używamy wakuometru. Podciśnienie występuje w pompach ssawnych, odkurzaczach, układzie wspomagania hamulców.

Ciśnienie bezwzględne (absolutne) - ciśnienie wyznaczane względem próżni doskonałej, której ciśnienie wynosi 0.

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

„W układzie zamkniętym zawierającym ciało proste zmiana energii wewnętrznej równa jest sumie algebraicznej pracy i ciepła wymienionego z otoczeniem, jeśli nie występuje zmiana energii kinetycznej i energii położenia układu.”

1. Energia wewnętrzna
   układu jest całkowitą energią układu.

Energia wewnętrzna jest funkcją addytywną, czyli energia wewnętrzna układu jest równa sumie energii wewnętrznych jego części składowych.

W rozwiązaniach termodynamicznych dotyczących układów zamkniętych bez reakcji chemicznych rozpatruje się z reguły wartości energii wewnętrznej w stosunku do dowolnego stanu odniesienia przyjętego za zerowy lub przyrosty energii wewnętrznej. Nie uwzględnia się energii chemicznej i jądrowej, gdy zmiany ich nie występują.

Dla układów otwartych za stan odniesienia dla energii wewnętrznej przyjmuje się temperaturę 0 K i normalne ciśnienie atmosferyczne.

Energia wewnętrzna
jest ekstensywną funkcją stanu. [J].

2. Praca- definicja punkt 6. Wzór na pracę:

, gdzie F oznacza siłę, a s drogę.

W zależności zwanej I zasadą termodynamiki praca wykonana przez układ ma znak +, natomiast ta wykonana nad układem znak -.

Praca zależy od przebytej drogi, dlatego nie można jej traktować jako jak funkcji stanu.

3. Ciepło- definicja punkt 6.

Podstawowe mechanizmy wymiany ciepła:

• Przewodzenie ciepła - w ciałach stałych i nieruchomych płynach; w ujęciu mikroskopowym przekazywanie energii między zderzającymi się molekułami (atomami), lub między swobodnymi elektronami a atomami (w metalach).

np. Przepływ ciepła przez ścinkę układu, np. przez ścinkę cylindra, tłoka.

• Konwekcja - przepływ ciepła w układzie z przemieszczającym się płynem, przepływ ciepła między ścianką układu a omywającym go płynem

np. Chłodzenie silnika strumieniem powietrza, cieczą chłodzącą.

• Promieniowanie - pochłanianie lub emitowanie energii w postaci fali elektromagnetycznej,

np.„promieniowanie” gorących powierzchni silnika.

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

Składowe energii wewnętrznej to:

• 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.

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

Praca zmiany objętości to praca jednorazowego rozprężenia lub sprężenia czynnika w układzie zamkniętym. Wyraża się ona wzorem:




Aby obliczyć pracę użyteczną należy uwzględnić ciśnienie atmosferyczne p₀

Podczas realizacji nieodwracalnych przemian równowagowych zewnętrzna praca zmiany objętości jest mniejsza od całkowitej pracy zmiany objętości o pracę rozpraszaną wewnątrz układu:




Pracą dyssypacji- czyli rozproszenia energii, może być tarcie tłoka o powierzchnię cylindra.

Z graficznej interpretacji pracy zmiany objętości na wykresie p-v wynika, iż jest ona co do wartości równa polu powierzchni pod krzywą.



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

Praca techniczna definiowana jest dla układów otwartych (najczęściej przepływowych) i oprócz pracy zmiany objętości czynnika uwzględnia pracę potrzebną na wtłoczenie i usunięcie przepływającego przez układ czynnika.








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

Pojemność cieplna przemiany jest to stosunek całkowitego ciepła przemiany do przyrostu temperatury podczas tej przemiany.


jednostka:


Ciepło właściwe przemiany to pojemność cieplna właściwa przemiany.


jednostka:
,
,
, gdzie q oznacza ilość ciepła dostarczoną do jednostki ilości substancji, tzn. do 1kg.

Ciepło właściwe przemiany zależy od rodzaju przemiany:

1. przy stałej objętości:
   - czyli pochodna cząstkowa energii wewnętrznej właściwej względem czasu przy stałej objętości.

2. przy stałym ciśnieniu:
   - czyli pochodna cząstkowa entalpii właściwej względem czasu przy stałym ciśnieniu.

Ilość atomów	cv	cp	Κ
Jedno-			1,667
Dwu-			1,4
Trzy-			1,333

Dla gazów doskonałych właściwe są zależności:




16. Obieg termodynamiczny, ciepło obiegu, praca obiegu.

Obieg termodynamiczny jest to cykl kolejnych przemian, po wykonaniu których stan czynnika powraca do stanu początkowego. Energia wewnętrzna po obiegu się nie zmienia, więc:


, gdzie Q_ob i L_ob oznaczają ciepło i pracę obiegu, to znaczy algebraiczną sumę ciepła i pracy doprowadzanych do układu i odprowadzanych z układu podczas całego obiegu.

17. Sprawność teoretyczna obiegu silnikowego (definicja).

Sprawność teoretyczna obiegu silnikowego z definicji równa jest stosunkowi pracy obiegu do ciepła doprowadzonego do obiegu.


gdzie Q_d- ciepło odprowadzone do źródła dolnego, Q_g- ciepło odprowadzone ze źródła górnego.

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

Dla chłodziarki: jest to stosunek ciepła odebranego ze źródła dolnego do pracy kosztem której odbywa się proces.




Dla pompy ciepła: jest to stosunek ciepła oddanego do źródła górnego do pracy kosztem której odbywa się proces.




Współczynnik wydajności może być większy od 1. Właściwa jest zależność:




19. Perpetuum mobile I rodzaju.

Perpetuum mobile I rodzaju to urządzenie, które dawałoby pracę z niczego. Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że nie jest możliwe skonstruowanie takiego urządzenia. Praca nie może być wykonana „za darmo”. Wymaga albo zmniejszenia energii wewnętrznej układu, albo doprowadzenia do układu ciepła z otoczenia.

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

„W układzie otwartym zmiana energii wewnętrznej równa jest sumie algebraicznej pracy i ciepła wymienionego z otoczeniem powiększonej o energię zawartą w przenoszonej przez jego granice substancji.”

Zależność:




Gdzie:

1. U, Q, L- patrz pytanie 11;

2. 
   =I

I to entalpia całkowita układu otwartego wyrażona w J. Składa się na nią energia wewnętrzna, kinetyczna, potencjalna przenoszonej masy oraz praca konieczna do wprowadzenia lub wyprowadzenia tej masy z układu.

Natomiast wielkość wyrażoną wzorem
nazywamy entalpią termiczną czynnika.

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

Wzór ogólny:


Przy pominięciu zmian energii kinetycznej i potencjalnej układu oraz strumieni substancji:




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

0=Q-L+ Iwe-Iwy

22. Sformułowania II zasady termodynamiki.

Sformułowanie Kelwina-Plancka:

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

ciepła.

Sformułowanie Clausiusa:

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

Sformułowanie W.Ostwalda:

Perpetuum mobile drugiego rodzaju jest niemożliwe.

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

Najbardziej ogólne:

Entropia układu zamkniętego i izolowanego nie może maleć podczas dowolnej przemiany i wzrasta przy przemianach nieodwracalnych.

23. Perpetuum mobile II rodzaju.

Perpetuum mobile drugiego rodzaju jest maszyna wykonująca pracę kosztem ciepła pobieranego z jednego źródła (silnik o sprawności równej 1).

24. Definicja procesu odwracalnego.

Proces jest odwracalny jeżeli od stanu końcowego można powrócić do

stanu początkowego w taki sposób, że i otoczeniu zostanie przywrócony

stan pierwotny.

25. Źródła nieodwracalności procesów fizycznych.

• Wymiana ciepła przy skończonej (niezerowej) różnicy temperatury,

• Ekspansja gazu (płynu) bez wykonania pracy zewnętrznej,

• Proces mieszania 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.

( Nieodwracalność wewnętrzna:

źródła nieodwracalności występują wewnątrz układu.

Nieodwracalność zewnętrzna:

źródła nieodwracalności występują w otoczeniu układu, np. różnica temperatury między ścianką układu a otoczeniem - źródłem ciepła (wymiana ciepła).

Usuwanie źródeł nieodwracalności procesów nie zawsze jest wskazane ze względów ekonomicznych - zapewnienie odpowiedniej intensywności przepływu ciepła wymaga albo odpowiedniej różnicy temperatury (nieodwracalność), albo dużej powierzchni wymiany ciepła (duże nakłady inwestycyjne), bądź dużej intensywności przepływu płynów (eksploatacja)

Q = k 

)

26. Sprawność obiegu Carnota.

Sprawność obiegu silnikowego Carnota zależy od temperatury źródeł (zasobników) ciepła - temperatura w wyrażona w skali Kelwina lub Rankine'a:

_c=1-(T_D/T_G)=1-(Q_D/Q_G)

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

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

1-2: adiabatyczne (izentropowe) sprężanie;

2-3: izotermiczne rozprężanie (ciepło Q₂₃ = T₂*(S₃ - S₂);

3-4: adiabatyczne (izentropowe) rozprężanie;

4-1: izotermiczne sprężanie (ciepło Q₄₁ = T₁*(S₁- S₄).

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




29. Definicja entropii.
    

Równanie definicyjne entropii:

dS=δQ/T

S = S₂ - S₁ =


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

( Entropia jest funkcją addytywną, ciągłą i różniczkowalną parametrów ekstensywnych układu lub jest uogólnioną współrzędną, która musi ulegać zmianie, aby ciepło przemiany było różne od zera.

Entropia zamkniętego układu adiabatycznego podczas przemian nieodwracalnych wzrasta, a podczas przemian odwracalnych nie zmienia się

S₁₂ ≥0

Dowolny układ termodynamiczny wraz z otoczeniem stanowią układ odosobniony, który jest wymiany ciepła z otoczeniem, lecz i wszystkich innych oddziaływań zewnętrznych. Do tego przypadku można zastosować wniosek z zasady wzrostu entropii:

Suma entropii wszystkich ciał biorących udział w zjawisku podczas przemian nieodwracalnych wzrasta, a podczas przemian odwracalnych nie zmienia się:

S = S_u,12 + S_ot,12 ≥0

)

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

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

_sR = (i₁ - i₃) / (i₁ - i₂) = l_ztad1,3 / l_ts1,2

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

_sS = (i₁ - i₂) / (i₁ - i₃) = l_st1,2 / l_ztad1,3

31. Gaz dokonały - charakterystyka.

Uproszczony model gazów rzeczywistych i par.

Zbiorowisko jednakowych cząsteczek poruszających się bezładnie w rożnych kierunkach, zderzających się sprężyście między sobą i ze ściankami naczynia.

Objętość cząsteczek jest pomijalnie mała w porównaniu z objętością naczynia (masa nie jest pomijalnie mała !!!),

Nie ma oddziaływań między cząsteczkami (nie ma sił międzycząsteczkowych)

Obowiązuje zasada ekwipartycji energii - energia rozkłada się równomiernie na wszystkie możliwe ruchy cząsteczek (ruch postępowy, obrotowy, drgający - stopnie swobody).

Właściwości takiego gazu można opisać:

• równaniem Clapeyrona,

• prawem Avogadra,

• gaz ma stałe ciepło właściwe.

Zakres stosowalności modelu gazu doskonałego:

• ciśnienia do 20÷30 bar (2÷3 MPa)

• temperatury do kilkuset °C.

32. Różnica między gazem doskonałym a półdoskonałym.

Gaz półdoskonały - gaz doskonały, którego ciepło właściwe jest funkcją temperatury. Uwzględnione są drgania w cząsteczkach.

33. Różnica między gazem doskonałym a rzeczywistym.

Istnieją oddziaływania między cząsteczkami oraz istotne są wymiary cząsteczek (skończona objętość zajmowana przez cząsteczki).

Odchylenie właściwości gazów rzeczywistych od właściwości gazu doskonałego. Miarą wielkości tego odchylenie jest m.in. wartość współczynnika ściśliwości (stopnia ściśliwości):

Z=


stosunek objętości właściwej gazu rzeczywistego do objętości właściwej gazu doskonałego przy tym samym ciśnieniu i tej samej temperaturze

Dla gazu doskonałego (spełniającego równanie Clapeyrona) współczynnik ściśliwości Z = 1.

34. Zasada ekwipartycji energii

Molowa pojemność cieplna właściwa gazów doskonałych w stałej objętości jest wielkością stałą, proporcjonalną do liczby stopni swobody f:

C_v = f *N_A *(0.5*k*T) = f *0.5*B*T

Liczba stopni swobody:

• Atomy (gaz jednoatomowy) - 3 stopnie swobody (trzy składowe ruchu postępowego),

• Cząsteczki (gaz) dwuatomowe - 5 stopni swobody (trzy składowe ruchu postępowego + dwie składowe ruchu obrotowego),

• Cząsteczki (gaz) trój- i więcej atomowe - 6 stopni swobody.

35. Ciśnienie cząstkowe (parcjalne). Prawo Daltona.

Ciśnieniem cząstkowym (parcjalnym) nazywamy ciśnienie które wywiera każdy ze składników mieszaniny gazów doskonałych jakby sam zajmował całą objętość.

Prawo Daltona:

Całkowite ciśnienie mieszaniny gazów doskonałych jest równe sumie ciśnień cząstkowych.

p_i =


p_i = n_i*B*T/V = p*(n_i/n)

36. Prawo Amagata.

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

37. Przemiana politropowa gazu doskonałego. Równanie politropy.

Przemiana politropowa gazu doskonałego jest przemianą, w której ciepło właściwe jest stałe.

Przemiana w której związek między ciśnieniem a objętością właściwą określa równanie (równanie politropy):




gdzie n jest wykładnikiem politropy

W zależności od przemiany wykładnik może przyjmować wartości od -∞ do +∞.

W danej przemianie wartość n jest stała.

Dla gazów doskonałych (spełniający równanie Clapeyrona) równanie politropy można przedstawić w postaci:







Rozpatrując końcowe stany czynnika w przemianie można zapisać:






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

Dla szczegolnych wartości wykładnika politropy otrzymuje się:

• n = 0; p = idem; przemiana izobaryczna;

• n = 1; pv = idem; przemiana izotermiczna;

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

• n = κ (wykładnik adiabaty); pv^K = idem; przemiana izentropowa (adiabatyczna)





39. Obieg porównawczy współczesnych silników z zapłonem samoczynnym - obieg Sabathe (wykresy we współrzędnych p-v i T-s).

 = 1-


;





Obieg Sabathe jest obiegiem porównawczym dla silników spalinowych tłokowych o zapłonie samoczynnym (wynikłym z wysokiej temperatury sprężonego powietrza) i wtryskiem paliwa za pomocą pompy wtryskowej. Paliwo jest wtryskiwane przed dojściem tłoka do zwrotnego położenia wewnętrznego. Proces spalania przebiega początkowo prawie przy stałej objętości, a następnie prawie przy stałym ciśnieniu. Cechą charakterystyczną obiegu Sabathe jest doprowadzenia ciepła częściowo przy stałej objętości, częściowo przy stałym ciśnieniu. Obieg Sabathe przebiega następująco: po izentropowym sprężeniu według przemiany 1-2 następuje doprowadzanie ciepła częściowo według izochory 2-3, częściowo zaś według izobary 3-4, co stanowi dobre przybliżenie rzeczywistego przebiegu spalania. W dalszym ciągu odbywa się izentropowe rozprężanie 4-5 oraz izochoryczne oddawanie ciepła wzdłuż linii 5-1. Sprawność termiczna obiegu Sabathe rośnie ze wzrostem stopnia kompresji , stopnia izochorycznego wzrostu ciśnienia  i stosunku ciepłe właściwych K, natomiast maleje ze wzrostem stopnia obciążenia 

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




Parametr charakterystyczny: stopień sprężania (stopień kompresji):




Zakres wartości
= 8 - 10

  1- (T­₁/T₂) = 1- (
)^K-1 = 1-


Obieg Otto jest obiegiem porównawczym dla silników spalinowych tłokowych o zapłonie iskrowym w których są najczęściej spalane benzyny przy stopniach kompresji nie przekraczających na ogół 8,5. Przy wyższych stopniach kompresji występuje spalanie detonacyjne szkodliwe ze względu na podwyższone obciążenia mechaniczne i termiczne silnika.

41. Obieg Braytona (turbina gazowa) z odwracalnym i nieodwracalnym procesem sprężania i rozprężania - wykres we współrzędnych T-s.

Wykres dla obiegu nieodwracalnego Wykres dla obiegu odwracalnego








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







Podział sprężania na stopnie i chłodzenie międzystopniowe:

• obniża temperaturę końca sprężania,

• zmniejsza pracę potrzebną do sprężania danej ilości czynnika.





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





P - punkt potrójny T=273,16K p=611,2Pa

K - punkt krytyczny T=647,27K p=22,115MPa

44. Przykłady równań stanu gazu rzeczywistego.

Równanie van der Vaalsa




Wyrażenie a/v2 uwzględnia oddziaływania między cząsteczkami (siły międzycząsteczkowe), które powodują zmiany ciśnienia. Współczynnik b uwzględnia wpływ objętości samych cząsteczek. Równanie van der Vaalsa należy do grupy kubicznych równań stanu - są to równania, które przy zapisie jako funkcje względem objętości są wielomianami trzeciego stopnia.

v³-(b+R*T/p)*v²+(a/b)*v-a*b/p=0




Charakterystyczny kształt izoterm poniżej temperatury krytycznej w sensie matematycznym wynika z istnienia trzech pierwiastków wielomianu p(v), natomiast w sensie fizycznym jest związany z możliwością wystąpienia zjawiska przegrzania cieczy lub przechłodzenia pary (w przejściach fazowych ciecz-para). Izoterma przechodząca przez punkt krytyczny ma natomiast punkt przegięcia (jeden potrójny pierwiastek). Właściwość ta jest wykorzystywana do wyznaczania wartości współczynników a i b - z informacji, że pierwsza i druga pochodna

(dp/dv i d2p/dv2) są równe zeru, co jest warunkiem dla punktu przegięcia. Dla równania van der Vaalsa współczynniki te są w następujący sposób zależne od parametrów punktu krytycznego:

a=27*R²*(T_k)²/(64*p_k), b=R*T_k/(8*p_k)

Współczynniki w równaniu van der Vaalsa dla danego gazu zależą tylko od jego parametrów krytycznych. Z warunku zerowania się pierwszej i drugiej pochodnej ciśnienia po objętości właściwej wynika także związek:

P_k*v_k/(RT_k)=3/8

Współczynnik ściśliwości w punkcie krytycznym jest stały niezależnie od rodzaju gazu i wynosi 3/8

Często stosuje się zredukowaną postać równań stanu, wprowadzając parametry zredukowane:

p_R=p/p_k; T_R=T/T_k; v_R=v/v_k;

Zredukowana postać równania van der Waalsa:

(p_R+3/(v_R*v_R)*(3*v_R-1)=8T_R

Zredukowane równanie stanu nie zależy od rodzaju gazu - jest równaniem uniwersalnym, słusznym dla dowolnego gazu (ale przybliżonym).

Inne równania stanu gazów doskonałych

• Równanie Redlicha-Kwonga jest modyfikacją równania van der V aalsa, której do członu opisującego siły przyciągania wprowadzono człon a/√T

Równanie ma postać:







Równanie Redlicha-Kwonga, ze względu na stosunkowo dużą dokładność, jest często stosowane, szczególnie w odniesieniu do mieszanin gazów rzeczywistych w zakresie wysokich ciśnień. Dla T > TK oraz p < 5 MPa błąd obliczeń nie przekracza 4% .

• Równanie Berthelota jest modyfikacją równania van der Waalsa, w której zamiast stałej wprowadzono wyraz a/T (istotą modyfikacji jest stwierdzenie faktu, że współczynnik a w równaniu v.d.W zależy od temperatury). Równanie Berthelota ma postać:






Równanie to jest dokładniejsze od równania van der Waalsa w zakresie wyższych temperatur i umiarkowanych ciśnień.

• Wirialne równanie stanu

45. Różnice między gazem doskonałym a rzeczywistym ujęte w równaniu van der Waalsa (w stosunku do równania Clapeyrona).

W równaniu van der Vaalsa wrażenie a/v2 uwzględnia oddziaływania między cząsteczkami (siły międzycząsteczkowe), które powodują zmiany ciśnienia. Współczynnik b uwzględnia wpływ objętości samych cząsteczek.

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

Wartościami współczynników wirialnych są ujęte oddziaływania miedzy cząsteczkami.

Rozwinięcie wirialne:

Z=pv/RT=1+B(T)/v+C(T)/v+D(T)/v+…

współczynniki B, C, D są nazywane współczynnikami wirialnymi, których wartości zależą od rodzaju gazu i są funkcjami temperatury, określonymi najczęściej zależnościami empirycznymi, np.:

B(T)=b₀+b₁T+b₂T+…

Każdy współczynnik wirialny B, C, D, ..., odpowiada sumowaniu oddziaływań między sobą na odległość odpowiedniej liczby cząsteczek. Drugi współczynnik wirialny B odpowiada oddziaływaniu między dwiema cząsteczkami, trzeci współczynnik wirialny C - między trzema cząsteczkami, itd. Współczynniki wirialne wyznacza się empirycznie, lub, przy pewnych założeniach dotyczących oddziaływań między cząsteczkami, oblicza się teoretycznie metodami fizyki statystycznej (co jest cechą charakterystyczną równania wirialnego).

Zależność drugiego współczynnika wirialnego B od temperatury:

Drugi współczynnik wirialny może być dodatni, gdy dominuje odpychanie między cząsteczkami (ponad izotermą przechodzącą przez punkt Boyle'a) lub ujemny, gdy przeważa przyciąganie między cząsteczkami. Jest on równy zeru przy temperaturze punktu Boyle'a.










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

Efekt Joule'a-Thomsona czyli dławienie gazu rzeczywistego - zmiana temperatury gazu w procesie adiabatycznego dławienia (rozprężanie izentalpowe, bez wymiany ciepła z otoczeniem i bez wykonywania pracy).

Współczynnik Joule'a-Thomsona:


Współczynnik J-T można wyznaczyć z ogólnej zależności:


α- współczynnik objętościowej rozszerzalności cieplnej.

Dla gazów doskonałych μ jest równe zero; temperatura nie zmienia się w procesie dławienia (entalpia gazu doskonałego zależy tylko od temperatury).

Dla gazów rzeczywistych współczynnik J-T może być dodatni bądź ujemny - istnieje tzw. temperatura inwersji (krzywa inwersji na wykresie T-p) - poniżej tej temperatury μ > 0, powyżej μ < 0)

Mechanizm fizyczny:

Energia wewnętrzna jest sumą energii kinetycznej ruchu cząsteczek i energii potencjalnej oddziaływań między cząsteczkami. W czasie dławienia gazu (rozprężania) zwiększa się odległość między cząsteczkami, z czym związane są dwa efekty:

1. Zwiększenie energii potencjalnej na skutek zwiększenia odległości między przyciągającymi się cząsteczkami,

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 energie potencjalną.

W procesie izentalpowym suma energii kinetycznej (jej miarą jest temperatura) i

potencjalnej jest niezmienna.

Temperatura inwersji- jest to temperatura graniczna, poniżej której dominuje pierwszy mechanizm - wzrostowi energii potencjalnej towarzyszy spadek temperatury. W temperaturach powyżej temperatury inwersji (i powyżej maksymalnego ciśnienia) dominuje drugi mechanizm - brak możliwości konwersji energii kinetycznej na potencjalną uwidacznia się wzrostem temperatury.

Jeśli wartości ∆T oraz ∆p są bardzo małe, iloraz (∆T/∆p)_i zmienia się w pochodną
, zwaną różniczkowym efektem Joule'a-Thomsona. W zakresie ciśnień do 0,6 MPa, i temperatury 273-373 K można przyjąć zależność współczynnika J-T tylko od temperatury:


μ0 - jest współczynnikiem J-T dla 273 K.

Całkowity (całkowy) efekt Joule'a-Thomsona: spadek temperatury przy dławieniu

adiabatyczno-izentalpowym od ciśnienia p1 do ciśnienia p2:




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

Dla gazów doskonałych współczynnik J-T jest równy 0, co oznacza że temperatura nie zmienia się w procesie dławienia( entalpia gazu doskonałego zależy tylko od jego temperatury).Tylko dodatnia bądź ujemna wartość współczynnika J-T oznacza że zmianie ciśnienia przy dławieniu towarzyszy zmiana temperatury.

49. Para wilgotna. Parametry określające stan pary wilgotnej.

Para wilgotna jest to mieszanina pary nasyconej suchej i wrzącej cieczy o tym samym ciśnieniu (tej samej temperaturze) - obszar między punktem pęcherzyków(ciecz wrząca) a punktem rosy (para sucha nasycona). Aby jednoznacznie określić stan czynnika w tym

obszarze, niezbędny jest dodatkowy parametr (poza ciśnieniem lub temperaturą) -

stopień suchości x:




m”-masa pary nsyconej suchej

m_w-msa pary wilgotnej(całkowita masa pary)

W trakcie przejścia od punktu pęcherzyków do punktu rosy pobierane jest ciepło - ilość ciepła pobrana przez 1 kg czynnika w trakcie tego procesu nazywa się entalpią parowania (ciepłem parowania) r:

r = i′′ − i′

Ciepło parowania można przedstawić także w innej postaci

r =i′′ −i′ =u′′ + pv′′ −(u′ + pv′)=(u′′ −u′)+ p(v′′ −v)= ϑ + ψ

ϑ - wewnętrzne ciepło parowania (zmiana energii wewnętrznej w procesie parowania), ψ - zewnętrzne ciepło parowania (przyrost energii w procesie parowania związany ze zmianą objętości).

Ponieważ proces izobarycznego tworzenia pary jest jednocześnie procesem izotermicznym, więc całkowitą entalpię parowania można związać ze zmianą entropii czynnika:

r = T(s′′ − s′)

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

v = (1− x) v′ + xv′′ = v′ + x (v′′ − v′)

i = (1− x) i′ + x i′′ = i′ + x (i′′ − i′) = i′ + xr

u = (1− x) u′ + x u′′ = u′ + x (u′′ − u′) = i − pv

s = (1− x) s′ + x s′′ = s′ + x (s′′ − s′) = s′ + xr/n T

Parametry właściwe pary wilgotnej zależą liniowo od stopnia suchości. Linie stałych stopni uchości (x = const) na wykresach p-v, T-s dzielą odcinki roste izobar (izoterm) między liniami ranicznymi na odcinki proporcjonalne do stopnia suchości.

Stopień suchości można określić np. korzystając z zależności na objętość właściwą, przy założeniu, że znane są objętości czynnika na krzywych granicznych oraz pary wilgotnej

v = v′ + x (v′′ − v′)

x=(v-v^')/(v^”-v^')

W przypadku stosunkowo niewysokich ciśnień, p ≤ 3 MPa, i dużych stopni suchości, x ≥ 0,8, objętość właściwa cieczy jest do pominięcia w porównaniu z objętością pary nasyconej suchej v ≈ xv′′

50. Przemiany pary we współrzędnych p-v, T-s, i-s: izobaryczna, izotermiczna i adiabatyczna.
















51. Obieg Rankine'a we współrzędnych T-s. Opisać przemiany.




Obieg Rankine'a ma następujący przebieg:

Woda o parametrach opisanych punktem 3 zostaje wtłoczona za pomocą pompy wirnikowej do kotła parowego, co przedstawia przeiana izentropowa 3-4. Następnie w kotle powstje para przegrzana w przemianie izobarycznej 4-1.Para o parametrach odpowiadających punktowi 51przepływa do turbiny i rozpręża się w niej izentropowo aż do punktu 2. Następnie rozprężon para dopływa do skraplacza, w którym przepływajca woda powoduje skroplenie pary w przemianie izobarycznej 2-3.

Sprawność obiegu Rankine'a:




52. Sposoby podwyższenia sprawności siłowni parowej.

• Zwiększenie temperatury przegrzania pary

• Zwiększenie ciśnienia pary dopływającej od turbiny

• Zastosowanie międzystopniowego przegrzewu pary

• Zmniejszenie ciśnienia w skraplaczu

• Zastosowanie regeneracji ciepła

53. Obieg chłodniczy - parowy (suchy Lindego) we współrzędnych T-s. Opisać przemiany i urządzenie w których są realizowane.




Obiegiem porównawczym dla sprężarkowych chłodziarek parowych jest obieg Lindego, w którym izentropowy proces sprężania 1,2 rozpoczyna się od stanu pary nasyconej suchej. W skraplaczu odbywa się izobaryczne 2,3 odprowadzanie ciepła od czynnika chłodniczego, które w obszarze pary przegrzanej przebiega ze sadkiem temperatury, a w obszarze pary wilgotnej- izotermicznie. Ze względu na stałą wartość pracy rozprężania izentropowego parę skroploną rozpręża się adiabatycznie nieodwracalnie bez wykonywania pracy w zaworze dławiącym według izentalpy 3,4.Doprowadzanie do czynnika wykonującego obieg ciepła, które jest odprowadzane od przestrzeni chłodzonej, odbywa się w parowniku wyłącznie w obszarze pary wilgotnej, przy realizacji przemiany izobaryczno - izotermicznej 4,1.

Elementy chłodziarki sprężarkowej:

1.Sprężanie : sprężarka
2.Odprowadzanie ciepła do górnego źródła : Wymiennik ciepła - skraplacz
3.Dławienie: zawór dławiący
4.Pobieranie ciepła z dolnego źródła: Wymiennik ciepła - parownik


54. Parametry charakteryzujące powietrze wilgotne.

Powietrze wilgotne: mieszanina azotu i tlenu (głównie) - gaz suchy, oraz pary wodnej.

\

Założenie:

Zarówno powietrze jak i para wodna zachowują się jak gaz doskonały. Do ich opisu można stosować równanie Clapeyrona, spełniają również

prawo Daltona (pod niezbyt dużymi ciśnieniami ciśnienie cząstkowe pary wodnej jest bardzo małe, co uzasadnia powyższe założenie).

Dla gazów wilgotnych charakterystyczne jest również to, że wielkości takie jak gęstość, objętość właściwa czy entalpia są odnoszone do ilości gazu suchego. Wynika to z faktu, że ilość gazu suchego jest niezmienna w takich procesach, jak np. nawilżanie czy osuszanie, w czasie których zmienia się ilość wody w mieszaninie, a więc także całkowita ilość gazu 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




pp - ciśnienie cząstkowe pary wodnej,

Rp - stała gazowa pary wodnej (wody)

Maksymalna wartość wilgotność bezwzględnej jest równa gęstości pary suchej nasyconej:




W miarę zwiększania ilości pary w mieszaninie jej ciśnienie cząstkowe osiąga wartość ciśnienia nasycenia w danej temperaturze - jest to stan nasycenia powietrza wilgotnego. Dalsze zwiększanie ilości pary powoduje jej wykroplenie, nie zwiększa się ilość pary w roztworze, a więc nie zmienia się stan powietrza wilgotnego. W stanie przesyconym powietrze wilgotne składa się mieszaniny powietrza suchego, nasyconej pary wodnej oraz mgły wodnej (kropelki cieczy) lub lodowej. Stan termodynamiczny powietrza wilgotnego, w którym zaczyna się wykraplanie wody jest nazywany punktem rosy.

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:




Wilgotność względna w punkcie rosy ma wartość 1.

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):




W praktyce do określania zawartości wilgoci w powietrzu korzysta się z następującego wzoru:




ps jest ciśnieniem nasycenia pary wodnej w danej temperaturze,

Mp = 18 kg/kmol; Mg = 28,95 kg/kmol

Stopień nasycenia

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





ρg0 jest gęstością powietrza suchego w warunkach całkowitego nasycenia powietrza wilgotnego (przy stałym ciśnieniu).

Korzystając z podanych wyżej zależności, stopień nasycenia można przedstawić w postaci




z czego wynika, że w niezbyt wysokiej temperaturze stopień nasycenia jest w przybliżeniu równy wilgotności względnej ψ ≈ ϕ.

Pozorna masa cząsteczkowa powietrza wilgotnego:
M = M_g r_g + M_p r_p


udziały objętościowe gazu suchego i pary wodnej, przy założeniu że czynniki te zachowują

się jak gaz doskonały, są określone następująco:

r_g = p_g / p = (p-p_p)/p ; r_p = p_p/p

M = M_g ( 1-


Po podstawieniu danych liczbowych:

M = 28,95 ( 1 -


M = M_g - (M_g - M_p)
= 28,95 - 10,95


Stała gazowa jest funkcją stałych gazowych powietrza i pary wodnej oraz udziałów

masowych (tutaj oznaczenie g)

R=R_gg_g + R_p*g_p; R_g = 287J/(kg*K); R_p=461,5J/(kg*K);

udziały masowe powietrza suchego i pary wodnej



;
;

R= 461,5
J/(kg*K)

Inaczej: związek między stałą gazową a pozorną masą cząsteczkową:

R = B/M =


Entalpia powietrza wilgotnego, odniesiona do jednostki masy powietrza suchego [kJ/kgg], lub (1+x) kg powietrza wilgotnego, jest określona wzorem




Czynnik r + cppt określa entalpię pary o temperaturze t (nie zależy ona od ciśnienia, gdyż para wodna traktowana jest jako gaz doskonały).

W przypadku kiedy w wyniku zachodzących procesów nastąpiło wykroplenie części pary z powietrza (powietrze osiągnęło stan przesycenia), entalpię czynnika określa się ze wzoru:

i_1+x = c_pgt + x_max(r+c_ppt)+x_wc_pwt

xw - masa wykroplonej wilgoci (w odniesieniu do masy powietrza suchego),

cpw - ciepło właściwe wody (4,19 kJ/(kg*K)).

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:




Dla powietrza wilgotnego:

v_1+x = 461,5*(0,622+x)*T/p; m³/(1+x)kg

55. Zasada pomiaru wilgotności psychrometrem - opis i schemat na wykresie Moliera.




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 otoczeniu termometru - 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. Przemiany powietrza wilgotnego na wykresie Moliera (ogrzewanie/chłodzenie, nawilżanie, mieszanie dwóch strumieni).

Problem sprowadza się do określenia parametrów powietrza wilgotnego, będącego mieszaniną dwóch strumieni o określonych zarówno wydatkach, jak i właściwościach fizycznych.

Proces jest izobaryczno-adiabatyczny.


Celem tego procesu jest zmiana wilgotności względnej lub temperatury powietrza przez doprowadzenie wody (wilgoci).

Podobnie jak w przypadku mieszania strumieni powietrza, stan końcowy po nawilżaniu określa się na drodze analizy bilansów masy wody (masa powietrza suchego nie zmienia się) oraz entalpii:

m(x_k - x₀) = w m(i_k - i₀) = wi_w

gdzie: w - strumień doprowadzonej wody, iw - entalpia wody.

Z tych równań można określić współczynnik kierunkowy prostej wyznaczającej kierunek procesu nawilżania

di/dx = i x = (i_k - i₀) / (x_k - x₀) = i_w

Współczynnik kierunkowy jest jest równy entalpii wody nawilżającej.

Na wykresach i-x zaznaczana jest podziałka entalpii wody (zarówno cieczy, jak i pary wilgotnej i przegrzanej), która ułatwia wykreślną analizę procesów nawilżania.

Zmiana temperatury powietrza w procesie nawilżania zależy od stanu w jakim znajduje się doprowadzana wilgoć - może zarówno spadać (przy nawilżaniu wodą), jak też rosnąć, i to znacznie (przy nawilżaniu parą przegrzaną).









Osuszanie powietrza (1) wymaga najpierw izobarycznego ochłodzenia powietrza nienasyconego, podczas którego stopień wilgoci nie zmienia się.

Początkowo wzrasta wilgotność względna do ϕ = 1, po czym powstaje powietrze przesycone, które stanowi roztwór powietrza nasyconego i mgły (2).

Doprowadzanie lub odprowadzanie ciepła bez zmiany stopnia wilgoci (x = idem) wiąże się ze zmianą entalpii.

Stan powietrza nasyconego zmienia się następnie wzdłuż linii nasycenia (stopień wilgoci i entalpia maleją) aż do stanu 3, wyznaczonego przez punkt przecięcia linii nasycenia z izotermą odpowiadającą stanowi końcowemu 2 powietrza przesyconego.

Ilość skroplonej wody wynosi

m_w = m_g (x₁ - x₃)

Jeżeli po usunięciu skroplin powietrze nasycone będzie ogrzane izobarycznie (stopień wilgoci nie zmienia się, wilgotność względna maleje) do temperatury początkowej t1, to osiągnie ono wilgotność względną mniejszą niż w stanie początkowym ϕ4 < ϕ1

57. Ciepło spalania i wartość opałowa.

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 :

Q_w = Q_c - 2500*( 9H+W ) kJ/kg p.

Wzór Dulonga - pozwala w przybliżeniu obliczyć wartość opałową paliw stałych i ciekłych na podstawie znanego składu elementarnego paliwa (oznaczenia w dalszej części):

Q_w = 32800C + 120040*(H - O/8) + 9260S - 2500W kJ/kg p.

58. Spalanie całkowite i zupełne.

Spalanie zupełne to spalanie do produktów niepalnych.

Spalanie niezupełne (powstaje wówczas tlenek węgla) może być spowodowane niedostateczną ilością powietrza dostarczonego do spalania, niedoskonałym wymieszaniem paliwa z powietrzem lub brakiem czasu na ukończenie reakcji chemicznej.

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. Adiabatyczna temperatura spalania. Sposoby podwyższenia temperatury płomienia.




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.

Współczynnik nadmiaru powietrza: stosunek aktualnej (rzeczywistej) ilości powietrza doprowadzonej do komory spalania (w danej mieszaninie z paliwem) do ilości stechiometrycznej - teoretycznej:

  L/L_t = O_rz/O_t

2

1

praca L

V

p

p

V

L

---