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 T_r, w którym mogą obok siebie istnieć w równowadze termodynamicznej trzy sąsiednie fazy: stała, ciekła i gazowa. Dla wody punkt ten wynosi 0,01^OC (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 p_b - 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

	- wielkość charakteryzująca wymianę ciepła na drodze promieniowania

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:

1. 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

2. Temperaturę odniesienia dla powietrza wilgotnego przyjmujemy
   

3. 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 p_i 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.

---