ZASADY TERMODYNAMIKI
I Zasada termodynamiki - (Mayera) rozszerza zasadę zachowania energii na ciepło. Mayer wykazał, że ciepło nie jest nieważkim płynem i ustalił zasadę równoważności ciepła i pracy.
II Zasada termodynamiki - (Carnota i Clausiusa) wprowadza pojęcie entropii. Ustala kierunek przemian przebiegających w przyrodzie. W zagadnieniach technicznych pozwala ona określić warunki uzyskania największej sprawności przemian energetycznych, tj. warunki realizowania przemian z najmniejszymi stratami.
„0” Zasada termodynamiki - mówi o równowadze termodynamicznej w przyrodzie.
Rodzaje stanów skupienia energii w zależności od jej budowy
Ciała stałe - drobiny materii są blisko siebie, istnieją duże siły międzycząsteczkowe, możliwość drgań atomów jedynie wokół położenia średniego.
Ciała ciekłe - większe odległości pomiędzy drobinami, siły międzycząsteczkowe mniejsze, zanika ruch drgający, a występują inne formy ruchu (np. Browna)
Ciała gazowe - odległości między drobinami rosną jeszcze bardziej (średnie odległości dużo większe od średnic molekuł), siły przyczepności maleją do zera, zaś drobiny poruszają się swobodnie ruchem:
Prostoliniowym (we wszystkich kierunkach)
Obrotowym
Drgającym
Krzywe przejścia spotykają się w punkcie potrójnym Tr, w którym mogą obok siebie istnieć w równowadze termodynamicznej trzy sąsiednie fazy: stała, ciekła i gazowa. Dla wody punkt ten wynosi 0,01OC (273,16 K), oraz 611,2 Pa.
PRAWA GAZOWE
Rodzaje gazów:
Doskonałe - nie występują oddziaływania międzycząsteczkowe, podlegają bez zastrzeżeń prawom gazowym, mają stałą wartość ciepła właściwego.
Półdoskonałe - podlegają bez zastrzeżeń prawom gazowym, jednak uwzględnia się zmienność ciepła właściwego wraz z temperaturą.
Rzeczywiste - uwzględnia się wpływ oddziaływań międzycząsteczkowych, oraz zmienność ciepła właściwego.
Parametry określające stany gazu:
Ciśnienie p [Pa]
Temperatura T [K]
Objętość V [m3]
Objętość właściwa
gdzie pb - ciśnienie atmosferyczne
T [K]=273,15 + t [OC]
PRAWO CHARLESA
Ciśnienie danej masy gazu doskonałego o stałej objętości jest wprost proporcjonalne do jego temperatury.
V=const.
PRAWO GAY-LUSSACA
Objętość danej masy gazu znajdującej się pod stałym ciśnieniem zależy liniowo od temperatury.
, gdzie
- współczynnik rozszerzalności.
PRAWO BOYLEA - MARIOTTE'A
Objętości stałej ilości gazu przy stałej temperaturze są odwrotnie proporcjonalne do ciśnień bezwzględnych
T=const.
PRAWO CLAPEYRONA
PRAWO AVOGADRA
W jednakowych objętościach różnych gazów znajdujących się w tej samej temperaturze i ciśnieniu znajduje się jednakowa liczba drobin (cząsteczek).
Jeżeli w dwóch zbiornikach o jednakowej objętości V i przy tym samym ciśnieniu p i temperaturze T znajdują się dwa różne gazy to masy tych gazów mają się jak ich masy cząsteczkowe lub molowe.
WARUNKI UMOWNE
MIESZANINY GAZÓW
Najbardziej popularną mieszaniną gazów jest taczające nas powietrze.
Powietrze (obj.) :
Innym przykładem mieszaniny gazów są spaliny, w których dodatkowo wyróżnia się CO2.
PRAWO DALTONA
Ciśnieniem cząstkowym nazywamy takie ciśnienie gazu wchodzącego w skład mieszaniny przy danym ciśnieniu p i temperaturze T mieszaniny, jakie zajmowałby ten gaz gdyby sam wypełniał objętość mieszaniny.
Sposoby określania ilości materii:
Udział masowy m [kg]
Udział objętościowy V [m3; um3]
Udział molowy n [kmol]
Udział masowy
Udział objętościowy
Udział molowy
Przeliczanie udziałów substancji
Dla i-tego składnika mieszaniny
POZORNA WZGLĘDNA MASA CZĄSTECZKOWA
Dla 1 kg i-tej substancji
Postępowanie przy rozwiązywaniu zadań
Dane:
„0” ZASADA TERMODYNAMIKI
„0” Zasada Termodynamiki dotyczy równowagi termodynamicznej. Podstawowe zainteresowanie to badanie oziębiania i ogrzewania układu. Miarą stopnia ogrzania lub ochłodzenia układu jest temperatura.
Wnioski „0” Zasady Termodynamiki
Wszystkie układy, które są w równowadze termodynamicznej mają taką samą temperaturę;
Układ odniesienia to termometr, który umożliwia porównywanie temperatur;
I ZASADA TERMODYNAMIKI
Wszelkim przemianom fizyko - chemicznym towarzyszy wymiana ciepła z otoczeniem oraz wykonywanie pracy mechanicznej.
Prace Joula i Meyera ustaliły, że ciepło jest jedną z postaci energii.
Ciepło właściwe
Ciepło właściwe to ilość energii cieplnej wymienionej z ciałem o masie 1 kg, które wywołuje zmianę temperatury o 1 K
Wartość ciepła właściwego może się wahać w bardzo szerokim zakresie
Jeżeli
to ciepło jest dostarczane do ciała
Energia wewnętrzna
Energia wewnętrzna jest wtórnym parametrem stanu (jednorodnego) czynnika, który można wyrazić przez dowolne dwa z trzech parametrów
Miarą energii wewnętrznej może być dostarczone ciepło i wykonana praca
Ciepło dostarczamy do układu i ma znak „+”
oznacza to, że następuje przyrost energii wewnętrznej
została wykonana praca mechaniczna na rzecz źródeł zewnętrznych
Jest to pierwsze równanie termodynamiki i pierwsza jego postać
L (bez oznaczeń i indeksów) oznaczać będzie pracę bezwzględną
Energia cieplna dostarczona czynnikowi termodynamicznemu powoduje zmianę jego energii wewnętrznej oraz wykonanie pracy mechanicznej
Praca rozprężania:
jest wówczas, gdy pracę wykonuje czynnik termodynamiczny
Praca techniczna
dla przemiany izochorycznej
Ponieważ energia wewnętrzna
jest wyłącznie funkcją temperatury,
ENTALPIA
Entalpia to potencjał termodynamiczny będący funkcją stanów termodynamicznych, funkcją niezależnych elementów makroskopowych.
gdzie
jest różniczką zupełną nowej pewnej funkcji stanu, bo zarówno energia wewnętrzna,
i
są parametrami stanu gazu. Jest to nowy element stanu gazu zwany ENTALPIĄ.
Entalpia I (dla m kg) lub Entalpia właściwa i (dla 1 kg) jest sumą energii właściwej rozpatrywanego układu jednorodnego i pracy mechanicznej niezbędnej do umieszczenia objętości V w polu ciśnienia p.
dla przemiany izobarycznej
Przyrost entalpii dla 1 kg
Wyprowadzenie równania Meyera (określa związek pomiędzy
a
)
i - ilość stopni swobody
Gazy jednoatomowe i=3
Gazy dwuatomowe i=5
CO2 i=6
Gazy wieloatomowe i=7
Paliwa Chemiczne
Paliwa chemiczne to ciała palne, z których w wyniku spalania (utleniania) otrzymuje się ciepło. Jest to reakcja egzotermicznego utleniania pierwiastków palnych (C - węgiel; H - wodór; S - siarka).
Małymi literami c, h, s oznacza się udziały masowe tych pierwiastków w ciałach stałych.
Udział różnych rodzajów paliw w otrzymywaniu ciepła
|
1937 |
1950 |
1963 |
1980 |
1993 |
Stałe |
94% |
97,4% |
95,8% |
79,5% |
77,6% |
Ciekłe |
3,0% |
2,1% |
2,4% |
13,1% |
13,4% |
Gazowe |
3,0% |
0,5% |
1,7% |
7,4% |
9,0% |
Paliwa gazowe - paliwa względnie czyste, nie zawierają trującej siarki;
Ropa naftowa - zawiera pewną ilość siarki, ale mimo wszystko jest to paliwo względnie czyste
Paliwa stałe - ich czystość zależy od zawartości siarki.
Paliwa mogą być kopalinami (węgiel kamienny i brunatny), może być to drewno lub łupki.
Do surowców palnych przetworzonych zaliczamy: koks, węgiel drzewny, benzynę syntetyczną, gaz świetlny.
Skład paliw stałych na podstawie analizy elementarnej
C, H, S |
O,N |
A (popiół) |
|
|
Pierwiastki palne |
|
|
|
|
Pierwiastki niepalne |
|
|
|
|
Składniki mineralne |
|
|
|
|
Wilgoć węgla pow. suchego |
|
|
||
Wilgoć przemijająca |
|
Paliwo |
c % |
h % |
o % |
n+s % |
Klasa paliwa |
Drewno |
50 |
6 |
43 |
1 |
01-09 |
Torf |
58 |
5,5 |
34 |
2 |
11-19 |
Węgiel brunatny |
70 |
5 |
24 |
0,8 |
21-29 |
Węgiel kamienny |
82 |
5 |
12 |
0,8 |
31-38 |
Antracyt |
94 |
3 |
3 |
0 |
41, 42 |
Grafit |
100 |
0 |
0 |
0 |
|
Sortyment węgla kamiennego
Sortyment |
Nazwa |
Oznaczenie |
Wymiar ziarna |
Gruby |
Kęsy |
Ks |
>125 mm |
|
Kostka |
Ko |
125-63 mm |
|
Orzech I |
O I |
80-40 mm |
|
Orzech II |
O II |
50-25 mm |
Średnie |
Groszek I |
Gk I |
31,5-16 mm |
|
Groszek II |
Gk II |
28-8 mm |
Drobne |
Grysik I |
Gs I |
10-5 mm |
|
Grysik II |
Gs I |
10-3 mm |
|
Miał I |
M I |
6,3-0 mm |
|
Miał II |
M I |
3,15-0 mm |
|
Pył |
P |
1-0 mm |
ANALIZA TECHNICZNA WĘGLA
Analiza techniczna skrócona określa parametry paliwa dla celów ruchowych.
„r” - stan roboczy paliwa - paliwo, które znajduje się w naturalnych warunkach składowania
„a” - stan analityczny - stan, jaki ma paliwo w warunkach równowagi wilgoci z wilgocią w laboratorium.
- wilgoć przemijająca, którą traci paliwo w trakcie suszenia w laboratorium ( w warunkach: temperatura - 20ºC, czas - 7 dni)
- wilgoć stanu powietrza suchego (warunki: temperatura - 105-110ºC, czas - 60 minut)
- zawartość części lotnych (warunki: temperatura - 850ºC, czas - 7 minut)
A (%) - zawartość popiołu uzyskanego po spaleniu paliwa (warunki: temperatura - 815ºC, czas - 35 minut)
- ciepło spalania - maksymalna ilość ciepła otrzymana ze spalenia węgla przy ochłodzeniu spalin do temperatury początkowej paliwa i powietrza i wykropleniu wilgoci w spalinach.
- wartość opałowa - maksymalna ilość ciepła otrzymana ze spalenia węgla przy ochłodzeniu spalin do temperatury początkowej paliwa i powietrza bez wykraplania wilgoci.
Zapotrzebowanie powietrza do spalania
Paliwa stałe i ciekłe przelicza się na kg masy
- masowe zapotrzebowanie tlenu do spalania
- masowe zapotrzebowanie powietrza do spalania
- objętościowe zapotrzebowanie tlenu do spalania.
- objętościowe zapotrzebowanie powietrza do spalania
Współczynnik nadmiaru powietrza
Wartości współczynnika
Rodzaj paliwa |
|
|
Paliwa gazowe |
1,05-1,1 (praktycznie: 1,18) |
|
Paliwa ciekłe |
1,1-1,25 |
|
Paliwa stałe |
Z rusztem mechanicznym |
1,5-2,0 |
|
Z zasypem ręcznym |
do 2,5 |
Prawa rządzące procesami spalania
I PRAWO DALTONA (dla ciał stałych)
Ciała stałe wchodzą w określone reakcje chemiczne przy stałym stosunku masy reagentów równym stosunkowi ich mas molowych.
II PRAWO GAY-LUSSACA (dla ciał gazowych)
Ciała gazowe o jednakowej temperaturze i ciśnieniu wchodzą w określone reakcje chemiczne przy stałym stosunku objętości równym stosunkowi objętości molowych reagentów.
III PRAWO HESSA
Efekt energetyczny (cieplny) reakcji zależy wyłącznie od stanu początkowego reagentów oraz końcowego wyniku reakcji, nie zależy natomiast od stanów pośrednich.
Utlenianie węgla zachodzi dwuetapowo:
OBJĘTOŚCI SPALIN DLA PALIW STAŁYCH
CIEPŁO SPALANIA I JEJ WARTOŚĆ OPAŁOWA
- wartość opałowa - ilość ciepła otrzymana ze spalenia jednostki masy lub objętości paliwa, przy czym produkty spalania zostają ochłodzone do temperatury początkowej paliwa i powietrza a wilgoć zawarta w spalinach jest unoszona w postaci pary wodnej do atmosfery.
TEMPERATURA PROCESU SPALANIA
Teoretyczna, maksymalną temperaturę spalania paliwa oblicza się z bilansu cieplnego zakładając proces izobarycznego spalania. Bilans ten określa się: suma entalpii reagentów + wartość opałowa równa się sumie entalpii spalania.
RZECZYWISTA TEMPERATURA SPALANIA
|
|
|
|
|
|
OBLICZANIE WYSOKOŚCI KOMINA
Ciąg kominowy - wymagane podciśnienie w komorze spalania.
WSPÓŁCZYNNIK NADMIARU POWIETRZA
Jeżeli t>0 to:
Przeliczanie udziałów objętościowych w spalinach suchych na udziały objętościowe spalin wilgotnych
PARA WODNA
Punkt potrójny wody:
WILGOTNE POWIETRZE
Powietrze wilgotne - zawiera wodę (wilgoć), która może występować w mieszaninie z powietrzem suchym (N2 i O2) w trzech stanach skupienia.
Ponieważ w czasie przemoian termodynamicznych wilgotnego powietrza może się zmieniać masa wilgoci w fazie gazowej np. skraplanie lub parowanie wody.
ZAŁOŻENIA:
Parametry wilgotnego powietrza odnosi się do jednostki masy suchego powietrza.
Wyjątkiem od tego założenia jest objętość właściwa, która jest określana w m3 wilgotnego powietrza na kg wilgotnego powietrza
Temperaturę odniesienia dla powietrza wilgotnego przyjmujemy
Parę wodną zawartą w powietrzu dla umiarkowanych temperatur z powodu bardzo małych wartości jej ciśnienia cząstkowego
można traktować jako gaz doskonały.
Wilgotność bezwzględna - masa wody łączna dla wszystkich faz przypadająca ma jednostkę objętości. Definicja ta pokrywa się z definicją gęstości a oznacza się przez
.
.
Wilgotność bezwzględna może się zmieniać w podanych granicach.
- część pary występuje w postaci mgły (lodowej -
lub wodnej -
)
Powietrze nasycone - każda następna drobina wilgoci powoduje powstanie mgły.
Wilgotność względna
- stosunek wilgoci bezwzględnej powietrza do wilgoci bezwzględnej powietrza nasyconego.
ZAWARTOŚĆ WILGOCI (x)
Zawartość wilgoci w powietrzu jest to masa wody przypadająca na jednostkę masy suchego powietrza.
OBJĘTOŚĆ WŁAŚCIWA WILGOTNEGO POWIETRZA
Przy określaniu wilgoci względnej powietrza, ilość wilgoci znajdującej się w warunkach mgły (
) część wilgoci jest w stanie ciekłym lub gazowym. Przy obliczaniu
tę część wilgotności pomijamy, ponieważ
OBJĘTOŚĆ WŁAŚCIWA WILGOTNEGO POWIETRZA
Przy określaniu wilgoci względnej powietrza, ilość wilgoci znajdującej się w warunkach mgły (
) część wilgoci jest w stanie ciekłym lub gazowym. Przy obliczaniu
tę część wilgotności pomijamy, ponieważ
Q
M=1,5 MPa
Q
1
x
T=const.
p
v
Całkowite ciśnienie (absolutne) p gazów doskonałych nie reagujących ze sobą jest w stałej temperaturze T równe sumie ciśnień cząstkowych pi gazów wchodzących w skład mieszaniny.
N2
O2
CO2
N2
O2
CO2
A
B
Przegroda izolacyjna
Przegroda przewodząca ciepło (przegroda diatermiczna)
C
B
A
Jeżeli układ A i układ B są w równowadze termicznej z układem C, to są one w równowadze termicznej względem siebie
mg
H
Jeżeli ciepło zostanie zamienione na pracę mechaniczną to jej ilość jest dokładnie równa ilości zużytego ciepła
„+” Q
Gaz wilgotny - mieszanina substancji, w której w rozpatrywanym zakresie zmienności temperatury (
) i ciśnienia (
) przynajmniej jeden ze składników może zmieniać stan skupienia (dla powietrza - para wodna). Pozostałe składniki występują w tych warunkach w fazie gazowej.