1. Rodzaje materii i układów termodynamicznych oraz rodzaje powierzchni kontrolnych

Materia - może być substancjonalną i niesubstancjonalną. Materia substancjonalna- wszystkie obiekty, które wytwarzają pole grawitacyjne i podlegają jego działaniu.

Materia niesubstancjonalna- są to pola sił np. pole grawitacyjne, pole elektro magnetyczne, zbiór kwantów.

Układ termodynamiczny- obszar materii ograniczony osłona kontrolną materialną lub abstrakcyjna. Może być: zamknięty - przez powierzchnie kontrolne nie może wymieniać substancji; otwarty- przez powierzchnie kontrolne może wymieniać substancje

Powierzchnie kontrolne: -przepuszczalne dla substancji i energii

-półprzepuszczalne dla wybranego elementu układu

- diatermiczne nie przepuszcza substancji przepuszcza ciepło

- adiabatyczne - nie przepuszcza substancji i ciepła, wymienia prace układ odosobniony- nie wymienia substancji i energii.

2. Definicja stanu termodynamicznego układu oraz rodzaje i przykłady parametrów stanu

Parametry stanu- są to wielkości stale lub zmienne charakteryzują stan substancji powiązane ze sobą równaniem stanu. Zmiana jednego z nich zmienia stan układu. Parametry te mogą być : Ekstensywne- ich wartości zależą od ilości substancji np. objętość właściwa

Intensywne- ich wartości nie należą od ilości substancji (p,V,T, ciepło parowania L itp.)

Stan termodynamiczny układu- jest to zbiór jednoczesnych wartości wielkości zdolnych do zmian wielkości fizycznych zwanych parametrami stanu.

3. Jednostki miary ilości substancji oraz zasada zachowania ilości substancji stosowana w termodynamice technicznej i termodynamice chemicznej

Masa kilomolowa- masa 1 kmola substancji: jest to tyle kg substancji ile wynosi jej masa cząsteczkowa.

Zasada zachowania ilości substancji- liczba cząsteczek nie zmienia się oraz nie zmienia się liczba atomów podczas reakcji chemicznych.

W stechiometrycznych równaniachreakcji chemicznych- ilość atomów lewej strony równania= ilość atomów prawej strony równania. Ilość kilomoli znajdujących się w 1kg substancji jest odwrotnością jej gęstości kilomoloej.

4. Rodzaje ciśnień i ich jednostki miary Ciśnienie- jest to stosunek siły F wywieranej na powierzchnię do pola tej powierzchni A, tj. p=F/A

W sensie statycznym ciśnienie jest miarą wymiary pędu między cząsteczkami znajdującymi się w ruchu termicznym (cieplnym)

Rodzaje ciśnień: nadciśnienie, ciśnienie bezwzględne, ciśnienie atmosferyczne, podciśnienie,
5. Temperatura i skale temperatur stosowane w technice cieplnej

Temperatura- jest pojęciem podstawowym nie def. Za pomocą innych wielkości. Temperatura określa stopień nagrzania ciał, odróżnia ciała cieplejsze od zimniejszych oraz umożliwia analityczny opis przepływu ciepła. Rozróżniamy następujące skale temperatury: skala bezwzględna (Kelvina), skala Celsjusza, skala Fahrenheita, skala Reomiuta, skala Rankine'a i skala praktyczna.

Skala bezwzględna - 1K=1/273,16; temperatury potrojnego punktu wody (T0=273,16 K; p=611,2 Pa)

Skala Celsjusza- 1stC=1/100 przedział między punktami wrzenia i krzepnięcia wody.

Zależność między różnymi skalami

TK=tstC+273,16

tstC=5/9(tstF-32)=5/9(tstRa-273,16)=1,25tstR

stF- stopień Farenheita

stRa- stopień Rankine'a

stR- stopień Reamiura

tstF=32+9/5tstC; tstRa=9/5tstC+273,16; tstR=4/5tstC

6. Sformułowanie zerowej zasady termodynamiki oraz prawa Reichmanna

Zerowa zasda termodynamiki- (słowna)jeżeli spośród 3 układów A, B i C znajdujących się w stanie wewnętrznej równowagi termodynamicznej, każdy z układów A i B są ze sobą w równowadze termicznej (mają tę samą temperaturę).Sformułowanie to podał I.C. Maxwell i zostało ono nazwane zerową zasadą termodynamiki

Prawo Richmanna- (prawo bilansu cieplnego) ilość ciepła oddana przez ciepło jest równa ilości ciepła pobranego przez ciała otaczające. Wynika z niego wniosek: ilość ciepła pobrana przez ciało podczas ogrzewania jest równa ilości ciepła oddanego podczas jego ostygania w tym samym zakresie temperatur, jeśli ciało przechodzi w odwrotnym porządku przez te same stany pośrednie.
7. Podać definicje gazu doskonałego i półdoskonałego oraz równanie Clapeyrona i jego interpretacja

Gaz doskonały- jest to hipotetyczny gaz, którego drobiny nie przyciągają się wzajemnie, są nieskończenie małe i sztywne (tzn. wewnątrz drobiny nie występują drgania oraz zgodnie z teorią kinetyczno-molekularną i doświadczeniem, gaz ten w rozumieniu termodynamicznym nie jest pozbawiony lepkości, tzn. nie tak jak w hydromechanice gdzie płyn doskonały definiowany jest jako płyn nielepki)

Gaz półdoskonały- w odróżnieniu od gazu doskonałego w cząsteczkach (drobinach) tego gazu występują drgania, a zatem atomy w cząsteczce powiązane są ze sobą sprężyście.

Równanie Clapeyrona- pv=mRT
8. Prawo Avogadra i wynikające z niego wnioski

Prawo Avogadra - W równych objętościach, różne gazy doskonałe znajdujące się w jednakowych temperaturach i przy jednakowych ciśnieniach zawierają równe liczby cząsteczek.

gdzie N-liczba cząstek, uc- masa cząsteczkowa, n - liczba moli gazu, Mu- masa molowa

Zależność ta jest prawdziwa ponieważ ilość gazu wyrażoną w kg można obliczyć jako iloczyn liczby cząstek N przez ich masę cząsteczkową uc lub jako iloczyn liczby kilomoli n przez masę kilomolową Mu, ponieważ masy molowe są wprost proporcjonalne do mas cząsteczkowych. Zależność ta oznacza, że przy jednakowych ciśnieniach i temperaturach, w jednakowych objętościach zawarte są jednakowe liczby kilomoli.

Przy jednakowych ciśnieniach i jednakowych temperaturach gęstości gazów doskonałych są wprost proporcjonalne, a objętości właściwe odwrotnie proporcjonalne do ich mas cząsteczkowych (molowych)

Przy jednakowych ciśnieniach i temperaturach molowe objętości różnych gazów doskonałych są jednakowe.

Uniwersalna stała gazowa R odniesiona do kilomola jako jednostki ilości substancji ma jednakową wartość dla wszystkich gazów doskonałych.
9. Mieszanina gazów doskonałych i wielkości określające jej skład oraz prawo Daltona Mieszanina - (roztwór) jest układem wieloskładnikowym, w którym każdy składnik rozmieszczony równomiernie w całej objętości. Będziemy rozpatrywać mieszaniny gazów doskonałych znajdujących się w równowadze termodynamicznej i nie reagujących miedzy sobą chemicznie.

Skład mieszaniny- określa się za pomocą udziałów składników.

Udział masowy: jest to stosunek ilości składnika określonej za pomocą masy do ilości m całej masy mieszaniny

gi=mi/m

Udział molowy- jest to stosunek ilości moli składnika ni do liczby moli całego roztworu(mieszaniny)

zi=ni/n

Udział objętościowy-jest to stosunek objętości składnika Vi do objętości całego roztworu V przy tym samym ciśnieniu i temperaturze

Prawo Daltona- suma ciśnień udziałowych wszystkich składników mieszaniny(roztworu) gazów doskonałych jest równa ciśnieniu mieszaniny.

10. Definicja ciepła właściwego, rodzaje ciepła właściwego i jego jednostki

Ciepłem właściwym ciała -nazywamy ilość ciepła koniecznego do jego ogrzania o 1 stopień. Ciepło właściwe m[kg] danej substancji definiuje się jako pochodną ciepła wymienionego podczas przemiany względem temperatury tej przemiany. Ciepło właściwe ciała jest wielkością elastyczną ponieważ zależy od jego masy.

Rodzaje ciepła właściwego może być :

- masowe ciepło właściwe - jest to ilość ciepła konieczna do zmiany temperatury jednostki masy o jeden stopień K,C,J/kg*K

- molowe ciepło właściwe - jest to ciepło właściwe odniesione do jednego mola substancji, Cu,J/mol*K

- objętościowe ciepło właściwe - jest to ciepło właściwe odniesione do jednostki objętości substancji zwykle 1m^3

J/m^3*K
11. Co to jest przemiana termodynamiczna i rodzaje przemian termodynamicznych Przemiana termodynamiczna - jest to zjawisko zmiany stanu układu polegające na zmianie przynajmniej jednego parametru stanu.

Rodzaje przemian:

- przemiany izochoryczne- przy stałej objętości (v=const)

- przemiany izobaryczne- przy stałym ciśnieniu(p=const)

- przemiany izotermiczne- przy stałej temperaturze(T=const)

-przemiany izentropowe- przy stałej entropii(s= const)

- przemiany politropowe- przy stałym cieple właściwym i o równaniu pV^n=const (n=const)
12. Zdefiniować energie wewnętrzną oraz prawo Joule'a-Thomsona

Energia wewnętrzna- jest ekstensywną funkcją stanu. Odnosząc ją do jednostki ilości substancji otrzymujemy energię wewnętrzną właściwą, która jest intensywną funkcją stanu.

du=dU/m

dla subst. jednorodnych u= U/m

Prawo Joule'a - Thomsona- Energia wewnętrzna gazu doskonałego zależy tylko od temperatury i może być zmieniona przez izochoryczny układ ciepła

du= CrdT=dqr

13. Entalpia statyczna i jej zależność od temperatury

Energia wewnętrzna jest wielkością wystarczająca do określenia energii ciała w stosunku do próżni. Jeśli ciało zanurzone jest w polu sił zewnętrznych o zmiennym natężeniu to przyjęcie energii wewn. Jest niewystarczające.

Aby puszkę znajdującą się w próżni w której jest gaz o parametrach p_1,T₁,v₁ umieścić w zbiorniku w którym jest gaz również o parametrach p_1,T₁,v₁ należy wykonać pracę równą

p₁Adx = p_1*v₁ - tzw.praca umieszczenia

po umieszczeniu puszki zgodnie z rys. gaz w niej zawarty będzie posiadał energię

h=u+pv

ponieważ u=c_vT, a pv=RT , to otrzymujemy

h=c_vT + RT = c_pT

wielkość h będącą sumą energii wewnętrznej i pracy umieszczenia nazywamy entalpią statyczna.

Zgodnie z wzorem entalpia stat. Gazu doskonałego zależy tylko od temp., z czego wynika, że entalpia jest funkcją stanu tych samych parametrów stanu co energia wewnętrzna.

14. Co to jest ciepło przemiany termodynamicznej? Sposób wyznaczania średniej wartości ciepła właściwego

Przyrost temp. ciała (układu) wynika z doprowadzenia ciepła z zewnątrz i ciepła tarcia powstałego wewnątrz ciała (układu).Całkowite ciepło Q_c1,2 pobrane przez ciało w zakresie temp. od T₁ do T₂ jest sumą ciepła doprowadzonego z zewnątrz Q_1,2 i ciepła tarcia powstałego wewnątrz ciała

Q_{c1,2 =} Q_1,2 + Q_w dla przemiany elementarnej dQ_c = dQ + dQ_w

Całkowitą ilość ciepła pobranego przez ciało można obliczyć ze wzoru:

Gdzie:
- średnie ciepło właściwe

Średnie ciepło właściwe odczytuje się z tablic. Wartość T₀ jest tutaj przyjętą temperaturą graniczną (zwykle T₀=0K). Ciepło pobrane przez ciało w zakresie temp.T₁ i T₂ obliczamy

15. Praca absolutna przemiany termodynamicznej i jej interpretacja graficzna na wykresie w układzie pracy

Jest to praca wykonana przez czynnik termodynamiczny przy zmianie jego objętości.

Układ złożony z tłoka i cylindra:

Praca absolutna w przemianie bez tarcia jest

dL = pdV

gdzie: p-pezwzględne ciśnienie statyczne czynnika wewnątrz cylindra

dV - przyrost objętości czynnika wewnątrz cylindra

praca absolutna jest dodatnia gdy objętośc czynnika podczas przemiany zwiększa się (ekspansja) i ujemna jeśli objętość maleje (kompresja)

znak pracy absolutnej:

ekspansja dV>0, Dl>0

kompresja dV<0, Dl<0

wzory te są prawdziwe dla układów zamkniętych i otwartych.

Uwzględniając pracę tarcia , praca absolutna jest:

dL = pdV - dL_w = pdV - dQ

ponieważ zawsze dL_w>0, to prawdziwa jest nierówność Dl<pdV

Praca użyteczna jest to praca absolutna zmniejszona o pracę kompresji otoczenia

L_k = L_1,2 - p₀ (V₂- V₁₎

 

Kasia CzernikiewiczBodzentyn/KielceKasia CzernikiewiczBodzentyn/Kielce

        

• Galeria

• Wyślij prezent

Początek formularza

Dodaj do znajomych

Dół formularza

• Wspólni znajomi

• Podaruj €urogąbki

Początek formularza

16. Praca techniczna przemiany termodynamicznej i jej interpretacja fizyczna

Praca techniczna jest łączną pracą wykonaną przez idealny silnik tłokowy

w czasie jednego cyklu roboczego składającego się z:

• napełniania substancją roboczą - L_n

• przemiany w systemie zamkniętym - L_1,2

• wytłaczania cylindra z substancji roboczej - L_w

Silnik idealny ma doskonale dopasowany do cylindra tłok (nie ma przecieków ani martwej przestrzeni) i nie wykazuje oporów przepływu przy napełnianiu i opróżnianiu (prędkość tłoka zbliżona do zera zapewnia zbliżone do zera opory przepływu w kanałach i zaworach).

Praca techniczna przemiany 1—2 jest więc sumą prac absolutnych

L_t = L_n+ L_1,2+ L_w= L_1,2 + p₁V₁ - p₂V₂

Pracę techniczną przedstawia pole między linią przemiany a osią p. Praca techniczna jest dodatnia jeśli podczas przemiany w zamkniętym cylindrze ciśnienie maleje, a zatem :

dL_t = -Vdp

lub w postaci całkowej L_t =

znak pracy technicznej:

-rozprężenie (spadek ciśnienia) dp < 0, dL_t > 0

-sprężenie (wzrost ciśnienia) dp > 0, dL_t < 0

Dla przemian z tarciem

dL_t = -Vdp - dL_w = - Vdp - dQ_w

17. Pierwsza zasada termodynamiki i równania wyrażające tą zasadę

Doprowadzone z zewnątrz ciepło do zamkniętego układu termodynamicznego zużywane jest na zwiększenie energii wewnętrznej oraz wykonanie pracy zewnętrznej.

Inne sformułowania:

Definicja energii wewnętrznej - istnieje funkcja stanu zwana energią wewnętrzną , która jak i inne postacie energii podlega prawu zachowania w odosobnionym układzie termodynamicznym, której spadek w nieruchomym zamkniętym układzie adiabatycznym jest równy pracy zewnętrznej

Ciepło zewnętrzne(definicja) - w nieruchomym zamkniętym układzie nieadiabatycznym przyrost energii wewnętrznej następuje w wyniku doprowadzenia ciepła i pracy z zewnątrz do układu.

Równanie wyrażające pierwszą zasadę termodynamiki dla przemian równowagowych można napisać w jednej z 3-ech postaci

I postać równania I zas.termodynamiki: dq = du +pdv

II postać równania I zas.termodynamiki dq = dh - vdp

III postać równania I zas.termodynamiki: đq = [1/(k-1)](vdp + kpdv)

18. Entropia i jej interpretacja fizyczna oraz sposób wyznaczania przyrostu entropii

Entropię definiuje zależność:

ds =

w której đQ jest ciepłem przemiany nierównowagowej. Ponieważ T jest zawsze dodatnie, to o znaku ciepła decyduje znak różniczki entropii:

- doprowadzenie ciepła đQ > 0, ponieważ powoduje wzrost entropii ds > 0

- doprowadzenie ciepła đQ < 0, ponieważ powoduje zmniejszenie entropii ds < 0

Zasada wzrostu entropii

Entropia zamkniętego układu adiabatycznego podczas przemian nieodwracalnych wzrasta, a podczas p.odwracalnych nie ulega zmianie

ΔS_{u ad 1,2} ≥0

Suma entropii wszystkich ciał biorących udział w zjawiskach podczas przemian nieodwracalnych nie zmienia się.

Przyrost entropii systemu ciał, odbywającego przemianę od stanu 1 do stanu 2, może być wyrażony przez sumę przyrostów entropii poszczególnych ciał:

ΔS_{u ad 1,2} = ΔS _{u 1,}2 + ΔS_{ot 1,2} ≥0

19. Co to jest przemiana politropowa i jej własności oraz równanie przemiany politropowej

Przemiana politropowa - jest to przemiana podczas której ciepło właściwe jest wielkością stałą(c=const, a zatem dq=cdT)

Równanie przemiany politropowej: pv^m=const, ponieważ pv=RT równanie można zapisać: Tv^m-1 =const równanie może również przyjąć postać:pT^m/1-m=const z czego wynika p₂/p₁=(T₂/T₁)^m/m-1

Występujący w powyższych równaniach wykładnik politropy m jest wielkością stał dla danej przemiany a dla różnych przemian może przybierać różne wartości rzeczywiste mє(-∞,∞)

20. Omówić zależność ciepła właściwego przemiany politropowej od wykładnika politropy

c_m(T)=c_v*m-K/m-1

Jeżeli 1<m<K to c(T)<0

Jeżeli m<1 lub m>K to c(T)>0

(Wykres str32)

21. Najogólniejsze sformułowanie drugiej zasady termodynamiki

Zasada wzrostu entropi jest to najogólniej sformułowana druga zasada termodynamiki: „Entropia zamkniętego ukł adiabatycznego podczas przemian nieodwracalnych wzrasta a podczas przemian odwracalnych nie ulega zmianie” Δ S_uad1,2≥0

Ponieważ dowolny ukł termo dyn wraz z otoczeniem stanowią ukł odosobniony(szczeg przyp ukł zamkniętego adiabatycznego)wiec prawdziwy jest dla niego ten wniosek.

22. Silnikowy obieg Carnote'a i jego sprawność

Silnikowy obieg Carnote`a jest to obieg składający się z dwóch przemian izotermicznych i dwóch przemian izotropowych

Sprawność cieplna obiegu Carnota η_tc=(Q_d-|Q_od|)/Q_d=1-|Q_od|/Q_d=1-T_od(s₁-s₂)/T_d(s₃-s₄)=1-T_od/T_d w obiegu tym s3=s2 i s4=s1

Aby osiągnąć jak największą sprawność obiegu należy:

-obieg realizowac jako obieg odwracalny zewnętrznie tj. bez rozpraszania pracy i bez spadków temp przy wymianie ciepła

-ciepło doprowadzać izotermicznie przy jak największej stałej temp T_d

-pozostałę przemiany powinny być przemianami odwracalnymi i adiabatycznymi

Ze wzoru na sprawność wynika że nie zależy ona od właściwości czynnika roboczego realizującego obieg właściwości konstrukcyjne silnika.Ocenę sprawności odwracalnych i nieodwracalnych obiegów silników cieplnych można przeprowadzić stos zas wzrostu entropii.

23. Tłokowa, teoretyczna sprężarka z przestrzenią szkodliwą i wykres pracy sprężarki

Sprężarka tłokowa-jej zadaniem jest dostarczanie sprężonego powietrza

Przy suwnym ruchu tłoka przez zawór do cylindra napływa gaz lub powietrze o cis p1. W końcu suwu zawór docelowy zamyka się i przy ruchu powrotnym(proces BC) tłok spręża zawarty w cylindrze czynnik aż do osiągnięcia ciś p2 i wówczas otwiera się zawór tłoczny i w końcowej fazie tego suwu C→p2 następuje wytłoczenie czynnika z cylindra

Teoretyczna sprężarka z przestrzenią szkodliwą-przestrzeń szkodliwa Vsz powoduje straty w wydatku sprężystośći.Istnienie tej objętości powoduje że objętoś skokowa Vs=Vsz po zakończeniu suwu wytłaczania jest wypełniona gazem ciś p2 i przy powtórnym ruchu tłoka objętość ta ulega rozprężeniu powrotnemu do ciś zasysania (ptk 4). Na skutek tego tłok nie zassał całej objętości skokowej a objętość Vsz+Vs-V4.Sprężarka traktujemy jako teoretyczną ale uwzględniamy objętośc szkodliwą lecz zaniedbujemy oddziaływania ścianek cylindra i opory przepływu przez zawory.

(wyk str 58)

24.Spręż graniczny i jego interpretacja fizyczna:

(wyk str 59)

[Rozważmy objętościowy współczynnik zasysania:

ηv=mk/mtł= (Vs2+V3- V4)/V3

Z równania politropy rozprężania powrotnego 3- >4wyznaczamy V4:

p2Vsz^m=P1V4^m=>V4=Vsz(p2/p1)^1/m =Vsz ν^1/m

Oznaczając względną przestrzeń szkodliwą Vsz wielkością a= Vsz/V3 mamy:

Vsz=aV3 a zatem V4=aV3 ^ν1/m ] Gdzie a=const dla danej konstrukcji sprężarki: Objetościowy współczynnik zarysowania ma postać:

η_v=(Vsz+V3-V4)/V3 = (aVs+Vs-aVs ν^1/m)/Vs=1- a(ν^1/m-1)

Sprężem granicznym nazywamy spręż przy którym objętościowy współczynnik sasysania jest równy zero,tj:

1- a(ν^1/m-1)=0 skąd: ν_max=(1/a +1)^m= p2max/p1

25. Uogólniony, termodynamiczny obieg czterosuwowego silnika spalinowego i sposób wyznaczania jego sprawności.

(wyk str 67)

Wprowadźmy oznaczenie następujących bezwymiarowych wielkości:

εs= Va/Vc stopień sprężania

φ=Vz/Vc stopień rozprężania wstępnego

εr= Vb/Vz stopień kolejnego rozprężania

λp=P2/Pc stopień wzrostu ciśnienia podczas procesu spalania.

Zakładamy że obieg realizowany jest przez 1kg czynnika roboczego. Ciepło doprowadzone do obiegu:

q1 = qv+qp=Cv(Tz'-Tc) +Cp(Tz-Tz')

ilość ciepła odprowadzonego od obiegu:

qo=q'o+q''o=qro+qpo=Cv(Tb -Tt)+Cp(Tf-Ta)

teoretyczna sprawność obiegu:

ηt=(q-qo)/q= 1-(qo/q)=1- [(Tb-Tf+k(Tf-Ta))/(T2'- Tc+k(Tz-Tz'))]

ponieważ dla przemiany politropowej a-c: paVa^K =pcVc^k lub TaVa^k- 1=TcVc^k-1 to stąd Tc=Ta(Va/Vc)^k-1=Ta εs ^k-1

dla przemiany c-z':

Tz'=Tc*(Pz'/Pc)=Tcλp=Taλpεs^k-1

Dla przemiany z'-z:

Tz=Tz'(Vz/Vc)=Tz'φ= Taλpφεs^k-1

Przemiana z-b:

Tb=Tz(Vz/Vb)^K-1=Tz(1/εr)^K-1=εs^K-1/εr^k-1*Taλpφ

Przemiana f-a:

Tf=Ta(Vf/Va)=Ta(Vb/Va)=T a(Vb:Vz/Va:Vz)=Ta[(εr*Vz/ Vc)/Va:Vc)]= Ta*[( εr φ)/ εs]

Podstawiając wyzej określone temperatury do wzoru otrzymujemy:

ηt=1-[λp γ(εs/ εr)^k-1 + (εr φ/ εs)(k-1)-k] /[εs ^k-1[(λp- 1)+kλp(φ-1)]

Analizujac w/w wzór wykazac można ze sprawność teoretyczna uogólnionego termodynamicznego obiegu czterosuwowego tłokowego silnika spalinowego wzrasta przy zwiększaniu εr, εs, λp , k zaź maleje przy wzroście φ.

Wzór (ost) jest prawdziwy dla wszystkich spotkanych w teorii silników teoretycznych termodynamicznych obiegów pracy tłokowych silników spalinowych.

---