TERMODYNAMIKA sem 4

1. Zdefiniować jednostki ilości substancji.

a)jednostka masy atomowej- μ₀=1/12 masa atomu izotopu C. C12≈1.66057*10^-27kg;μ₀-masa 1 nukleonu b)ilość cząsteczek - 1 mol ν_A(6,0225±0,00028)*10²³drobin c)masa molowa ν_A(μ₀*M)ilość nukleonów [ν_A*μ₀=1] d)liczba (k)mol-ilość substancji, której masa spoczynkowa w(kg)g jest równa liczbie M określającej względną masę drobiny(ilość nukleonów w drobinie) e)wtórne sposoby określania ilości substancji - masa substancji m=nM[kg] f)objęto zajmowana przez substancje w warunkach normalnych 0°C 750=1 bar 1 kmol=22,71mm³

2. Zdefiniować układ termodynami i podać cechy układu zamkniętego, otwartego i odosobnionego.

Układ (system)-dowolny zbiór ciał fizycznych wyodrębnionych z otoczenia przy pomocy umownie poprowadzonej granicy (osłony)stałej lub ruchomej rzeczywistej lub nierzeczywistej. Stanowi obiekt rozważań a)układ otwarty (przepływowy)-przez granicę tego układu przechodzi zarówno energia jak i substancje m_ukł - niekoniecznie const. Np. grzejnik; b)układ odosobniony(izolowany)przez granicę tego układu nie przechodzi ani substancja ani energia. c)układ zamknięty-przez granice tego układ przechodzi tylko energia m_ukł=const d)układ adiabatyczny-przez granice tego układu nie przechodzi ciepło tylko inne postacie energii(głównie prace mech).

3. Zdefiniować i podać cechy funkcji przemiany i stanu.

-funkcje stanu-znamię ilościowe wtórne obliczone z parametrów stany np. energia wew .dV=Tds-PdV; entalpia H=U+PV entalpia swobodna G=H-Ts -funkcje przemiany-wielkości fizyczne zależne od przemiany i występuje tylko w czasie trwania przemiany np. ciepło i praca

4 Sformułować definicje pracy i ciepła stosowane w termodynamice.

.mechaniczna L=F*s- pracę otrzymujemy przy zmianie stanu ciała dL=Fds=PAds=pdV. Praca całkowita (wykonana przez parę lub gaz) zmiana stanu z 1 do 2.L_1-2=cał V₁doV₂ pdV -Praca techniczna- łączy prace wykonaną przez idealny silnik tłokowy w czasie jednego cyklu roboczego (napełnianie, przemiana w układzie zamkniętym opróżnieniu cyklu z gazu)L_t1-2=L_nap+L_1-2+L_opr=- cał 1-2(Vdp)-Ciepło-część energii termicznej(cielnej) przekazywanej poprzez granice układu bez przenoszenia substancji wskutek istniejącego spadku temp. Ciepło nie jest formą energii a jedynie sposobem jej przekazywania jest to energia termiczna w przejściu. Występuje tylko przy zmianie stanu ciała w danym stanie równowagi nie ma ciepła jest energia cieplna Q[J] g=Q/m[kJ/kg] Q'=Q/T[W]-moc cieplna -natężenia strumienia cieplnego.

5 Wymienić główne składniki energii wewnętrznej i entalpii.

.E.wew-energi ruchu postępowego obrotowego drgającego potencjalna sił cząstkowych stanów elektronów w atomach chemiczna związana ze zmianami budowy chemicznej cząstek jądrowa związana ze zmianami budowy jąder atomów.

6 Wymienić metody obliczania ciepła pobranego przez ciało.

..Q_c1-2=q_d-q_w+q_f ;Q_c1-2=m*C|_T1^T2*(T2-T1); Q_f-cieplo tarcia a)gdy jest dane C=C(t) ; q_c=całka od t₁ do t₂ C(t)dt; b) gdy dane jest C|₀^t 1) schładzam od t1 do 0 i grzeje od 0 do t2; q_c=C|0-t2*(t2-0)-C|0-t1*(t1-0) C|t1-t2=q_c/(t2-t1)=[C|0-t2*t2-C|0-t1*t1]/(t2-t1) c)na podstawie pomiarów kalomtrycznych q_c0(t1=0)do pomiaru rzeczywistego ciepła właściwego C=C|(0-t)+t dC|(0-t)/dt Q_c1-2=mc|t1-t2*(t2-t1)=n*(M_c)|t1-t2*(t2-t1)=V_n*C_n|t1-t2*(t2-t1)

7 Określić warunki odwracalności przemiany termodynamicznej.

. Proces uważa się za odwracalny gdy po jego odbyciu wszystkie składniki biorące w nim udział systemu i otoczenia można doprowadzić do stanu wyjściowego nie pozostawiając absolutnie żadnych zmian w systemie i otoczeniu. Musi więc istnieć możliwość odwrócenia procesu bez pozostawienia śladu. Wszystkie procesy naturalne są nieodwracalne. Niezależnie od rodzaju drogi przejścia uzyskuje się tą samą ilość pracy.

8. Zdefiniować pracę bezwzględną oraz wyjaśnić sens fizyczny pracy technicznej.

. praca bezwzględna (absolutna)- wykonana w warunkach zerowego ciśnienia podczas przemiany gazu po zewnętrznej stronie tłoka. + gdy praca wykonana przez system a energia do otoczenia;- na odwrót L_1-2=cał od 1-2PdV Praca techniczna łączna praca wykonana przez idealny silnik tłokowy w czasie jednego cyklu pracy L_t1-2=Lnap+L_1-2+Lopr=-cał od 1-2*VdP [kJ]

9. . Sformułować równanie bilansu energii dla układu zamkniętego (podać matema wyrażenie I ZT).

W odosobnionym układzie ciał otoczonym osłoną adiabatyczna. Całkowita energia w nim zawarta jest wielkością niezmienną (energia nie może ulec zniszczeniu ani powstać z niczego) E_D=ΔE_v+E_w m_ukł=const. E_D=dQ'-dQ_fz=dQ; E_W=dL-dL_f =pdV-dQ_f ; dq_c=dq+dq_f=du+pdv,du=dh-pdv-vdp po scałkowaniu q_c=q_1-2+q_f=h₁-h₂+l_t1-2

10 Sformułowa równanie bilansu energii dla maszyny przepływowej(podać matem wyrażenie I ZT).

.m_ukł=const. E doprowadzona (wyprowadzona) z czynnikiem wpływającym do układu składa się:a)z pracy wprowadzonej (wyprowadzonej) elementarnego strumienia masy substancji dL=Fds=pAds=pdV;b)energii wewn.dV=dm*U c)energii kinetycznej dE_k=dU W²/z d)energii potencjalnej dE_p=dm*ρ*z ; Q(z krop)_1-2+m(z kr)h₁=L(z kr)_z+m(z kr)*h₂

11 Co to jest termiczne równanie stanu czynnika termodynamicznego?

.Jest to podstawowe równanie stanu dla ciał prostych f(p,V,T)=0 Równanie stanu pozwala z określonej liczby zmiennych niezależnych określić inne parametry (funkcje stanu); Prawo Clapeyrona pV=RT; pV/T=const=R; p=const (Guy-Lusac) V₁/V_a=T₁/T_a=T₁/T₂ ; T=const.(Boyla-Mariota)P_aV_a=P₂V₂ ,V_A=P₂V₂/p_a= P₂V₂/p₁; związek między parametrami między dwoma stanami

12. Zdefiniować gaz doskonały, półdoskonały i rzeczywisty.

-gaz doskonały 1)spełnia dokładnie prawa gazowe(prawo Clapeyrona)

2)ma stałe ciepło właściwe zależne tylko od rodzaju przemiany a niezależne od P i T. Statystycznie to gaz który spełnia warunki 1)objętość własna drobin jest b mała w porównaniu z V naczynia w jakim się znajduje , 2)siły międzydrobinowe są pomijalnie małe 3)energia rozkłada się równo na wszystkie stopnie swobody ruchu postępowego obrotowego drobin nie ma drgań atomów w drobinie.

-gaz rzeczywisty - wykonuje odchylenie od praw gazowych dla wyższych ciśnień i dla temper zbliżonych („od góry”)do temper nasycenia (gaz rzeczywisty można uznać za doskonały wtedy gdy jest pod niskim ciśnieniem i wysoka temp.)

-gaz półdoskonały- spełnia również prawa gazowe ale wykazuje wzrost ciepła właściwego z temperaturę - spowodowany niezachowaniem 3go warunku

13 Jaką wartość ma uniwersalna i indywidualna stała gazowa?

.uniwaesalna stała gazowa R^=MR=8314.5[Nm/kmolk]- iloczyn masy molowej i stałej gazowej Indywidualna stała gazowa R=PV/T

15 Jakie jest znaczenie praktyczne przemiany izotermicznej, adiabaty odwracalnej i politropy?

.a) p. izotermiczna odgrywa role przemiany porównawczej, najbardziej ekonom, ale trudnej do realizacji np. sprężanie gazów przebiega przy najmniejszym wkładzie pracy jeżeli chłodzenie jest doskonałe i temp gazu podczas sprężania nie podnosi się dlatego sprawność rzeczywistych sprężarek chłodzonych oblicza się porównując je z doskonałymi sprężarkami izotemicznymi.Q_1-2=L_1-2=L_t1-2 doprowadzone ciepło w całości idzie na wykonanie pracy E_term gazu = const. b) p. adiabatyczna - nie ma wymiany ciepła z otoczeniem dQ=dQ₂₂+dQ_w adiabata rzeczywista nie może być odwracalna ponieważ występuje tarcie(im mniejsze tym bardzie zbliża się do izentropy) izentrope stosuje się jako porównanie z adiabatami rzeczywistymi c)p.politropowa w praktyce przyjmuje się za politropową (każde dwa stany czynnika termodynamicznego. Można połączyć politropą)ułatwia to obliczenie pracy i ciepła, zwykle nie jest ściśle spełnione pVⁿ = idem (n-idem)

16. . Opisać efekty energetyczne obiegu silnika cieplnego ziębiarki i pompy grzejnej. Zdefiniować sprawność energetyczną obu maszyn.

- w obiegu prawobieżnym (silnik motor) korzyścią jest uzyskanie pracy L_ob. A nakładem ciepło doprowadzone z wysokotemperaturowego. źródła ciepła Q_d Sprawność energet obiegu silnika η=L_ob/Q_d=1-Q_w/Q_d<1 Q_d>Q_w

- w obiegu lewobieżnym (chłodnice ,pompa ciepła)pobranie ciepła Q_d z żrudła o temp niższej od temp otoczenia oddaje Q_w do żrudła o temp wyższej Q_d<Q_w Sprawność energet ziębiarki Ez= Q_d/ |L_ob|≥1, grzejna P.C -doprowadzenie ciepła Q_w do ogrzewanego pomieszczenia z kosztem pracy L_ob. Z udziałem Q_d E_g= Q_w/|L_ob.|>1_.

17 Wyjaśnić znaczenie obiegu Carnota w termodynamice.

. Obieg Carnota ma duże znaczenie w analizach i rozważaniach termodynamicznych (składa się z 2 adiabat i 2 izoterm) dla gazu półdosk i doskonałego. Q_d=m*R*T₂*ln P₂/P₃, Q_w=m*R*T₁*ln P₁/P₄, Q_w/Q_d=T₁/T₂, η_ob.=1-T₁/T₂ sprawność termiczna nie zależy od rodzaju gazu(udowodniono tylko dla g. doskonałego.);podczas ekspansji 2-3 czynnik pobiera q ze żrudła gorącego o temp T₁ następuje ekspansja adiabatyczna odwracalna 3-4 temp obniża się do wartości żrudła dolnego q następuje izotermiczna kompresja 4-1 dalej kompresja adiabat. Do T1 Obieg Carnota jest najprostszym odwracalnym Aby uzyskać największą sprawność siłowni cieplnej należy jak najbardziej zbliżyć się do ob.Carnota

18. Zdefiniować perpetuum mobile drugiego rodzaju i wymienić dwa przykładowe słowne sformułowania drugiej zasady termodynamiki (II ZT).

PM II- urządzenie które oddawałoby tyle samo energii na sposób pracy ile pobrałoby na sposób ciepła. Sformułowanie Kelina-Plancka- niemożliwe jest zbudowanie silnika który działając cyklicznie nie wywoływałby innych zmian (w systemie i otoczeniu)prócz schładzanie jednego źródła ciepła i wykonywania (równoważnej) pracy. Clausiuse- energia cieplna nie maże (samorzutnie) przenosić. PM II- korzystna tylko z jednego źródła ciepła.Schmidt nie można odwrócić przemiany w której jest tarcie.

19 Definicja entropii oraz sposób ustalania kierunku przepływu ciepła w układzie T-s..ds.=dQ/T[J/k] dQ-ciepło doprowadzone ze żrudła zewn. Q_c1-2=cał(1-2)Tds

20 Jak można za pomocą wzoru matematycznego wyrazić drugą zasadę termodynamiki (II ZT)?.zapomoca entropii dS=dQ/T dS_ŻR=-dQ/T_ŻR suma przyrostów entropii wszystkich ciał dΠ=dS+dS_ŻR dla zjawisk odwracalnych suma przyrostów = 0 suma entropii w zjawiskach nieodwracalnych stale zwiększa się w czasie trwania zjawiska.

21. Wyjaśnić znaczenie obiegów porównawczych oraz przedstawić w układach P-v, i T-s obieg Diesla, Otto i Joule'a.

obieg Diesla- obieg porównawczy dla silników wysokoprężnych.Otto-dla spalinowych ZI Joulea -chłodziarki gazowej;siłowni turbinowo-spalinowej

22. Podać definicje egzergii i wymienić składniki bilansu egzergii.

. Egzergia- jest to ta cześć energii która przy współudziale otoczenia w najlepszym przypadku może być zamieniona na pracę (jest to wartościowa część energii).Praca max którą w warunkach otoczenia ziemskiego można by otrzymać L_max=V₁-V_ot+(S_oy-S₁)*T_ot=B[k] B- egzergia B=Q(1-T_ot/T)[kJ]=1 T_ot+T_ot(S_ot-S)

25 Zdefiniować stopień suchości pary nasyconej mokrej.

.para mokra to mieszanina pary nasyconej, suchej i wrzącej cieczy o tym samym ciśnieniu i temperaturze. stopień suchości-stosunek masy pary nasyconej suchej m” do masy pary wilgotnej m_x tj. udział masowy pary nasyconej suchej w parze wilgotnej x=m”/m_x

26. Wykres P-v i T-s - co to są krzywe graniczne Zmiany energii cieplnej w procesie parowania widoczne są w postaci pół pracy i ciepła na wykresach P-V i T -s. Wykresy te zawierają dwie charakterystyczne linie wychodzące ze wspólnego wierzchołka K odpowiada stanowi krytycznemu: są to tzw krzywe graniczne.-lewa krzywa graniczna nazywa się dolną jest miejscem geometrycznym punktów odpowiadających stanowi cieczy wrzącej.-prawa krzywa graniczna (tzw górna)jest miejscem geometrycznym punktów odpowiadających starań pary suchej nasyconej. Między krzywymi granicz są punkty odpowiadające stanom pary mokrej.

27 Kaloryczne funkcje stanu pary nasyconej i przegrzanej.

.Energia-energia cieczy wrzącej U'=m'v'; energia pary suchej U”=m”v”; V=V'+V”=(m'+m”)u;u=v'+x(v”-v');Entalpia-H=H'+H”=m'h'+m”h”=(m'+m”)h; h=h'+x(h”-h')=h'+xr; Entropia- s=s'+s”=m's'+m”s”=(m'+m”)s; s=s'+x(s”-s')

28 Przemiany charakterystyczne pary nasyconej i przegrzanej.

.-przemiana izobaryczno - izotermiczna P₁=P₂ T₁=T₂ para sucha l_1-2=p(V₂-V₁)=p(x₂-x₁)(V”-V'); q_1-2=(S₂-S₁)T=r(x₂-x₁)=h₂-h₁; l _t1-2=0 para przegrzana l_3-4=cał3-4(pdV)=q_3-4-(V₃-V₄); l _t3-4=cał3-4Vdp=q_3-4-(h₃-h₄) -izochoryczna q_1-2=V₁-V₂=(h₂-p₂V₂)-( h₁-p₁V₁)=( h₂-p₂V)-( h₁-p₁V); U₂-U₁=U'₂+x₁(U”₂-U'₂)-U'₁+x₁(U”₁-U'₁); V₁=V₂ ; x₂=(V'₁-V'₂)/(V”₂-V'₂)+x₁ (V”₁-V'₁)/( V”₂-V'₂) izentropowe

29 Opisać konwencjonalną siłownię parową.

. Para przegrzana jest rozprężana od stanu 1 do 2 w turbinie parowej T napędzającej np. generator prądu G. Na wylocie z turbin utrzymywane jest bardzo niskie ciśnienie przez skraplanie pary w skraplaczu S chłodzonym za pomocą wody. Ciśnienie skroplonej wody (stan 3) zostaje podwyższone (stan 4) do ciśnie w kotle parowym K za pomocą pompy P zasilającej kocioł. Ciecz jest izobarycznie odprowadzana w kotle parowym a po osiągnięciu stany pary nasyconej suchej (t=1) przechodzi w parę przegrzaną w części kotle zwanej przegrzewaczem ciśnienia pary zasilającej turbinę musi być niższe od ciśnienia krytycznego

30. Obieg Clausiusa-Rankine'a dla pary nasyconej mokrej i przegrzanej.

1-2 izentrop. rozprężanie w turbinie 2-3 izoba-izotermiczne odprowadzenie q_od w skraplaczu 3-4 izochoryczne sprężanie 4-1 izobaryczne doprowadzenie ciepła w kotle

31 Sposoby zwiększania sprawności energetycznej obiegu siłowni parowej.a)podwyższenie temperatury przegrzania pary-równoważne jest z podwyższeniem temp.czynnika obigowego b) wpływ ciśnienia pary dopływającej do turbiny-przy stałej temp zmniejszenie rozbieżności obiegu C-R z ob. Carnota c)z międzystopniowym przegrzaniem pary, turbina podzielona jest na część nisko i wysokoprężna)obniżenie ciśnienia w skraplaczu.

32 Wymienić sposoby przekazywania ciepła.

.a)przewodzenie ciepła-przekazywanie energii przez bezpośrednio stykające się drobiny i atomy lub przez dyfuzje swobodnych elektronów, występuje przeważnie w ciałach stałych. b)konwekcja-tylko w cieczach i gazach-przenoszenie energii głównie przez przepływ drobin i mieszanie się strug o różnej temp.;toważyszy mu przewodzenie ciepła. c)promieniowanie-przekazywanie energii za pośrednictwem fal elektromagnetycznych.

33 Sformułować prawo Fouriera.

.podstawowe prawo przewodzenia ciepła. Strumień ciepła przewodzonego przez pole F wyodrębnionej wewnątrz ciała jest proporcjonalny do tego pola i do gradientu temp w kierunku normalnym do pow. F ; Q(z krop.)=-Fλδt/δn λ-wsp.przewodzenia ciepła [W/m*k]

34 Zdefiniować opór przewodzenia ciepła przez przegrodę płaską i płaską wielowarstwową.

.R_λ=δ/Fλ do jednowarstwowych .zależy od kształtu i struktury przegrody; R_λ=Σ R_λi do wielowarstwowych.

36 Zdefiniować opór wnikania ciepła.

. Jest to opór przepływu ciepła między strugą a powierzchnią ściany, uwzględniany przy rozpatrywaniu przenikania ciepła z temp. płynów uczestniczących.

37 Omówić rodzaje konwekcji.

.a)wymuszona-gdy prędkość przepływu strugi płynu wynika z działania sił zewnętrznych b)swobodna-ruch płynu powstaje samoczynnie na skutek działania sił wyporu.;konwekcia swobodna zwykle nakłada się na wymuszoną gdyż siły wyporu powstają zawsze wtedy gdy gęstość ciężaru płynu jest inna w warstwie przyściennej niż w rdzeniu. Jeżeli prędkość przepływu przy konwekcji wymuszonej jest duża to wpływ działania sił wyporu można pominąć.

38 Zdefiniować podobieństwo hydrodynamiczne i termodynamiczne.

.Podobieństwo hydrodynamiczne-występuje przy przepływie dwóch strug płynu wewnątrz przewodów o przekroju okrągłym. Jeżeli tzw. profil zredukowany jest identyczny przy przepływie jednowym jest okr zależność W/W₀=f(x/x₀); W-lokalna prędkość w miejscu określonym wsp.x;W_o-prędość charakt.np.max;x₀-charakt wymiar np.promień wewn.rury. podobieństwo termodynamiczne-rozkład temp w dwóch strugach płynu spełnia warunki podob.termodynam.jeżeli zredukowane profile są w obu przypadkach jednakowe. (T-∂)/(T₀-∂)=ϕ(x/x₀); T-lokalna temp płynu w miejscu o wsp.x T₀-temp charakteryst.np.w osi strugi ∂-charakteryst.temp ścianki kanału.

39. Wymienić i zdefiniować liczby podobieństwa występujące w równaniach kryterialnych konwekcji swobodnej i wymuszonej.

a)liczba Reynoldsa R_e=Wl/γ;b)liczba Pradtla P_r=C_pρν/λ ;c)liczba Nusselta N_u=αl/λ;d)liczba Graschofa-G_r=gβθl³/ν²;β=1/V(δV/δT)-wsp.rozszezalności objętościowej płynu.

---