ΑΝΩΤΕΡΗ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ

Transcript

1 ΑΝΩΤΕΡΗ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ Διδάσκοντες: Κώστας Περράκης, Δημοσθένης Γεωργίου p Βιβλιογραφία Advanced Thermodynamics for Engineers, Kenneth, Jr. Wark Advanced thermodynamics engineering / Kalyan Annamalai & Ishwar K. Puri. Advanced.Thermodynamics, D.E. Winterbone Θερμοδυναμική για Μηχανικούς, Y. Cengel, M. Boles 7η έκδοση, Εκδόσεις Τζιόλα, Fundamentals of Classical Thermodynamics, G. Van Wylen, R. Sonntag, C. Borgnakke,. Basic Engineering Thermodynamics, M. Zemansky, M. Abbott, H. Van Ness, Mc Graw Hill, Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 1 Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 2 Προαπαιτούμενες γνώσεις Βασικές αρχές της Θερμοδυναμικής - Ενέργεια, Θερμοδυναμικά συστήματα, Ιδιότητες. Ιδιότητες των καθαρών ουσιών - διεργασίες αλλαγής φάσης, διαγράμματα, πίνακες ιδιοτήτων. Καταστατικές εξισώσεις, Ιδανικό αέριο. Ο πρώτος νόμος της Θερμοδυναμικής - Έργο, θερμότητα, εσωτερική ενέργεια. (Κλειστά- ανοικτά συστήματα). Ισοζύγια. Ο δεύτερος νόμος της Θερμοδυναμικής - Θερμικές-ψυκτικές μηχανές, συντελεστές απόδοσης, αεικίνητα. Κύκλος και αξιώματα Carnot. Εντροπία - Αρχή αύξησης της εντροπίας, Μεταβολή Εντροπίας καθαρών ουσιών, ιαγράμματα ιδιοτήτων Εξέργεια - Ορισμοί, Ισοζύγιο, Καταστροφή εξέργειας Κύκλοι Συστήματα παραγωγής Ισχύος και Ψύξης (Otto, Diesel, Brayton, Rankine.) Θερμοδυναμικές ιδιότητες Περιεχόμενα μαθήματος 1. Θερμοδυναμική Έννοιες και ορισμοί 2. Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής 3. Δεύτερος Νόμος της Θερμοδυναμικής 4. Τρίτος Νόμος της Θερμοδυναμικής 5. Διαθέσιμη Ενέργεια, Εξέργεια 6. Εισαγωγή στις ιδιότητες των καθαρών ουσιών 7. Σχέσεις Ιδιοτήτων- Καθαρές Ουσίες 8. Μαθηματικά / Λογισμός κριτική 9. Καταστατικές Εξισώσεις 10. Ισορροπία 11. Εισαγωγή στη μη αναστρέψιμη Θερμοδυναμική Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 3 Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 4 1

2 Περιεχόμενα μαθήματος ΕΒΔΟΜΑΔΑ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΔΙΔΑΣΚΩΝ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΚΑΙ ΤΙΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΥΣ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ -ΜΗΔΕΝΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ -ΠΡΩΤΟΣ ΝΟΜΟΣ -ΔΕΥΤΕΡΟΣ ΝΟΜΟΣ ΚΑΙ ΟΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΥΤΩΝ ΣΤΑ ΤΕΛΕΙΑ ΣΥΜΠΙΕΣΤΑ ΑΕΡΙΑ 2 -ΑΔΙΑΒΑΤΙΚΕΣ ΑΠΟΔΟΣΕΙΣ -ΤΟ ΚΛΕΙΣΤΟ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΑΤΑ ΤΟΥΣ ΚΑΡΑΘΕΟΔΩΡΗ ΚΑΙ POINCARE -ΕΠΙΤΡΕΠΟΜΕΝΕΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ 3 -ΣΥΖΕΥΓΜΕΝΑ ΚΑΙ ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ - Η ΓΕΝΙΚΗ ΔΙΑΤΥΠΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΕΝΑΝ ΟΓΚΟ ΕΛΕΓΧΟΥ -ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ : ΦΟΡΤΙΣΗ-ΑΠΟΦΟΡΤΙΣΗ ΔΟΧΕΙΩΝ -ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΡΓΟΥ ΣΤΟ ΟΡΙΟ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ -Η ΓΕΝΙΚΟΤΕΡΗ ΔΙΑΤΥΠΩΣΗ ΤΟΥ ΔΕΥΤΕΡΟΥ ΝΟΜΟΥ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ 4 -Η ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΔΙΑΤΥΠΩΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΚΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ -Η ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝΤΡΟΠΙΑΣ -Η ΕΝΤΡΟΠΙΑ ΣΕ ΚΛΕΙΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ -ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΩΝ ΚΑΙ ΜΗ ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ -ΕΝΤΡΟΠΙΑ ΚΑΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ -ΤΟ ΔΕΥΤΕΡΟ ΑΞΙΩΜΑ ΣΕ ΕΝΑΝ ΟΓΚΟ ΕΛΕΓΧΟΥ 5 -Η ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΤΡΟΠΙΑΣ ΣΕ ΑΠΛΕΣ ΚΥΚΛΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ - Η ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΤΡΟΠΙΑΣ ΚΑΙ ΤΟ ΔΕΥΕΤΡΟ ΑΞΙΩΜΑ -ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΕΞΕΡΓΕΙΑ (ΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑ) -Η ΑΠΟΔΟΣΗ ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΟ ΔΕΥΤΕΡΟ ΑΞΙΩΜΑ -Η ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΞΕΡΓΕΙΑΣ ΛΟΓΩ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ -ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ 6 -ΕΞΕΡΓΕΙΑ ΣΕ ΚΛΕΙΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Κεφάλαιο1, Ενότητα Διαφάνεια 5 2, -ΕΞΕΡΓΕΙΑ ΣΕ ΟΓΚΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΕ ΜΟΝΙΜΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ Εισαγωγή-Θερμοδυναμικά Κ. Συστήματα ΠΕΡΡΑΚΗΣ -ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ Ιστορικά Στοιχεία Θερμοδυναμική και ενέργεια Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 6 Εισαγωγή ΘΕΡΜΟ ΥΝΑΜΙΚΗ (Θέρμη+ ύναμη) Ιστορικά Στοιχεία Προσπάθεια για Μηχανική Ισχύ από Θερμότητα Ατμός-Διατάξεις και κινητήρες ατμού Ήρων ο Αλεξανδρεύς 1 ος αιώνας μχ - αιολόσφαιρα Η επιστήμη της Ενέργειας Ενέργεια: Αντιληπτή σαν Ικανότητα πραγματοποίησης αλλαγών Σαν μοντέρνα επιστήμη ασχολείται με τον Μετασχηματισμό κάθε μορφής Εέ Ενέργειας σε κάποια άλλη καθώς και με όλα τα συστήματα και τις διατάξεις κατανάλωσης και μετατροπής ενέργειας Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 7 Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 8 2

3 ΑΗΣ ΚΑΡΔΙΑΣ (4 μονάδες1200 MW) Βασικά στοιχεία εγκατάστασης Ατμοπαραγωγού Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 9 Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 10 Θερμοδυναμική και Ενέργεια Θερμοδυναμικοί Νόμοι (Αξιώματα) 1ος Νόμος της Θερμοδυναμικής Αρχή διατήρησης Ενέργειας-Ένας θεμελιώδης φυσικός νόμος Θερμοδυναμική και Ενέργεια 2ος νόμος της Θερμοδυναμικής Η Ενέργεια εκτός από ποσότητα έχει και ποιότητα Οι πραγματικές διεργασίες γίνονται προς την κατεύθυνση της ελάττωσης της ποιότητας της Ενέργειας Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 11 Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 12 3

4 Πεδία εφαρμογών Θερμοδυναμικής Κάθε δραστηριότητα της μηχανικής που περιλαμβάνει αλληλεπιδράσεις μεταξύ ενέργειας και μάζας Παραγωγή Ισχύος από πρωτογενείς ενεργειακές πηγές Μετατροπή μορφών ενέργειας Σχέσεις ιδιοτήτων της ύλης Μορφές ενέργειας Ολική Ενέργεια Συστήματος Ε Θερμική Μηχανική Κινητική Δυναμική Χημική Ηλεκτρική Μαγνητική γη Πυρηνική Μακροσκοπικές μορφές Σχετίζονται με το σύστημα σαν σύνολο σε σχέση με εξωτερικό σύστημα αναφοράς (πχ. Δυναμική, Κινητική) Μικροσκοπικές μορφές Συνδέονται με την μοριακή δομή και κινητικότητα των μορίων του συστήματος (Εσωτερική Ενέργεια U) Ε ολ =U + KE + PE = U + mv 2 /2 + mgz (kj) Η Θερμοδυναμική ασχολείται με τις μεταβολές της ολικής Ενέργειας όχι με την απόλυτη τιμή της Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 13 Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 14 Φυσική σημασία της Εσωτερικής Ενέργειας Εσωτερική ενέργεια U Πυρηνική Ενέργεια δεσμών των ατόμων του πυρήνα Χημική Ενέργεια δεσμών των ατόμων του μορίου Θερμική ήεέ Ενέργεια Λανθάνουσα Σχετίζεται με την ενέργεια αλλαγών φάσης Αισθητή Κινητική ενέργεια των μορίων ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Βασικές ιδέες και αρχές Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 15 Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 16 4

5 - Τύποι Συστημάτων προς Εξέταση Θερμοδυναμικό ή Καθορισμένη ποσότητα ύλης ή περιοχή του χώρου Η μάζα ή η περιοχή έξω από το σύστημα Όριο ή οριακή επιφάνεια Η υποθετική επιφάνεια που χωρίζει το σύστημα από το περιβάλλον + = Σύμπαν Όριο Κλειστό dm dt 0 Ροή Μάζας Ανοιχτό Απαραίτητος ο ακριβής καθορισμός του συστήματος που θα μελετηθεί Ροή Μάζας Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 17 Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 18 Μεθοδολογίες εξέτασης συστημάτων Για την περιγραφή της συμπεριφοράς των Θερμοδυναμικών Συστημάτων και της αλληλεπίδρασής τους με το περιβάλλον πρέπει να γίνει καθορισμός και επιλογή των κατάλληλων μεγεθών που συνδέονται με αυτό ΜΑΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΜΕΘΟ ΟΣ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΜΕΘΟ ΟΣ Περιγραφή του συστήματος από μεγάλος αριθμός μικροσκοπικών μικρό αριθμό μακροσκοπικών συντεταγμένων συντεταγμένων γίνονται υποθέσεις για την δομή της ύλης που εμπίπτουν στις αισθήσεις δεν εμπίπτουν στις αισθήσεις μας που μπορούν να μετρηθούν και δεν μπορούν να μετρηθούν προσδιορίζονται πειραματικά χωρίς να γίνονται υποθέσεις για την Πχ. Ν μόρια αερίου Ν=6.02x10 26 δομή της ύλης mol -1 x,y,z συντεταγμένες θέσης κάθε Πχ. Σύνθεση, όγκος, πίεση, μορίου U θερμοκρασία ενός καύσιμου μίγματος x, U y, U z ταχύτητες κάθε μορίου Ιδιότητες Θερμοδυναμικού Συστήματος Θερμοδυναμικό m V T P ρ Συνεχές μέσο Θερμοδυναμικές Ιδιότητες Εξαρτώνται από το μέγεθος του συστήματος Εκτατικές και Εντατικές ιδιότητες Εκτατικές Εντατικές Ειδικές ή μοριακές ιδιότητες 1/2m 1/2V T P ρ Δεν εξαρτώνται από το μέγεθος του συστήματος 1/2m 1/2V T P ρ Εκτατικές Εντατικές ανά μονάδα μάζας ή ανά mol Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 19 Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 20 5

6 Κλειστό Πως αλλάζει η κατάσταση ενός θερμοδυναμικού συστήματος; Θερμότητα Αλληλεπιδράσεις μεταξύ συστήματος και περιβάλλοντος... Έργο Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 21 Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 22 Ανοικτό Περιεχόμενα Ροή Μάζας Θερμότητα ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΚΑΙ ΤΙΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΥΣ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Έργο Ροή Μάζας Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 23 Κεφάλαιο1, Ενότητα 2, Διαφάνεια 24 6