2ος ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Διεργασίες που μπορούν να εξελιχθούν προς μία μόνο κατεύθυνση.

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "2ος ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Διεργασίες που μπορούν να εξελιχθούν προς μία μόνο κατεύθυνση."

Λουκᾶς Γκόφας
7 χρόνια πριν
Προβολές:

Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 1 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 2 Εισαγωγή στον 2ο Θερμοδυναμικό Νόμο ΕΡΓΟ-ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ Περιορισμοί του 1ου νόμου.

1 ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ I Εισαγωγή στον 2ο Θερμοδυναμικό Νόμο This 1000 hp engine photo is courtesy of Bugatti automobiles. 2ος ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Διεργασίες που μπορούν να εξελιχθούν προς μία μόνο κατεύθυνση. Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 1 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 2 Εισαγωγή στον 2ο Θερμοδυναμικό Νόμο ΕΡΓΟ-ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ Περιορισμοί του 1ου νόμου. Γένεση - Καταστροφή ενέργειας 2ος Νόμος κατεύθυνση διεργασιών-ποιότητα ενέργειας. Παραβίαση του 2ου νόμου-εντροπία Ειδικές διατάξεις μετατροπής της Θερμότητας σε Έργο Θερμικές Μηχανές Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 3 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 4 1

2 Θερμικές Μηχανές: Ειδικές διατάξεις μετατροπής της Θερμότητας σε Έργο Δεξαμενές Θερμότητας (Θερμοδοχεία) Σώματα πολύ μεγάλης θερμοχωρητικότητας που μπορούν να ανταλλάξουν πεπερασμένα ποσά θερμότητας χωρίς μεταβολή των θερμοδυναμικών τους συντεταγμένων. Παραδείγματα: Θάλασσα, ατμόσφαιρα, μια λίμνη, ένα ποτάμι, ένας βιομηχανικός φούρνος Θερμοδοχεία - Ψυχροδοχεία Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 5 Κοινά χαρακτηριστικά θερμικών μηχανών Θερμοδοχείο Τ Ψυχροδοχείο Τ Απορρόφηση θερμότητας από θερμοδοχείο υψηλής θερμοκρασίας Μετατροπή μέρους της θερμότητας σε έργο Απόρριψη της υπόλοιπης θερμότητας σε ψυχροδοχείο χαμηλής θερμοκρασίας Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 6 Κοινά χαρακτηριστικά θερμικών μηχανών Θερμοδοχείο Τ Κυκλική λειτουργία Η ενεργειακές μεταφορές υλοποιούνται από διεργασίες που πραγματοποιούνται από το Λειτουργόν Ρευστό ή Μέσον Ψυχροδοχείο Τ Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 7 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 8 2

Διατάξεις παραγωγής έργου Εξωτερική πηγή Ενέργειας Λέβητας Γενικά απόδοση Απόδοση - Θερμική Απόδοση n = Επιθυμητή έξοδος Απαιτούμενη είσοδος Αντλία Στρόβιλος Θερμική απόδοση

9 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 10 Θερμική Απόδοση Α Νόμος για κλειστό σύστημα ΔU = tot -W net Αλλά για κυκλική διεργασία ΔU= 0 άρα Θερμική απόδοση Πόσο μπορεί να αυξηθεί η

3 Διατάξεις παραγωγής έργου Εξωτερική πηγή Ενέργειας Λέβητας Γενικά απόδοση Απόδοση - Θερμική Απόδοση n = Επιθυμητή έξοδος Απαιτούμενη είσοδος Αντλία Στρόβιλος Θερμική απόδοση Καθαρό έργο που παράγεται n = Θερμότητα που παρέχεται Μηχανές εσωτερικήςεξωτερικής καύσης Συμπυκνωτής Περιβάλλον Wnet,out n = = in W net,out in Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 9 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 10 Θερμική Απόδοση Α Νόμος για κλειστό σύστημα ΔU = tot -W net Αλλά για κυκλική διεργασία ΔU= 0 άρα Θερμική απόδοση Πόσο μπορεί να αυξηθεί η θερμική απόδοση; W net = tot = in out Και η απόδοση μπορεί να γραφτεί: W n = = = 1- net,out in out out in in in Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 11 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 12 3

Καμία μηχανή δεν μπορεί να έχει απόδοση 100% Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 13 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 14

4 Μπορεί να εξοικονομηθεί η out Ο Δεύτερος Νόμος της Θερμοδυναμικής Διατύπωση Kelvin-Plank Θερμοδοχείο Τ Ψυχροδοχείο Τ Μια διάταξη που λειτουργεί σε κύκλο είναι αδύνατον να παίρνει θερμότητα από μία δεξαμενή και να παράγει έργο. Καμία μηχανή δεν μπορεί να έχει απόδοση 100% Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 13 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 14 ΑΤΜΟΜΗΧΑΝΗ Παραδείγματα θερμικών μηχανών Μηχανές Εσωτερικής Καύσης (Otto Diesel) Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 15 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 16 4

5 Κύκλος Βενζινοκινητήρα (Otto) Δίχρονη παλινδρομική μηχανή Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 17 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 18 Κύκλος Diesel Περιστροφικές Μηχανές (Wankel) Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 19 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 20 5

Χώρος Θέρμανσης T >T Επιθυμητή έξοδος Βαλβίδα Εκτόνωσης Συμπιεστής Εξατμιστής Επιθυμητή έξοδος Αντλία θερμότητας

6 Ατμοπαραγωγός Κύκλος Αεριοστροβίλου Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 21 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 22 Ψυκτικοί κύκλοι Συμπίεσης αερίου Περιβάλλον Συμπυκνωτής Περιβάλλον T >T Ψυγεία και αντλίες Θερμότητας Απαιτούμενη είσοδος Ψυγείο Χώρος Θέρμανσης T >T Επιθυμητή έξοδος Βαλβίδα Εκτόνωσης Συμπιεστής Εξατμιστής Επιθυμητή έξοδος Αντλία θερμότητας Απαιτούμενη είσοδος Χώρος Ψύξης Χώρος ψύξης Τ Περιβάλλον T Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 23 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 24 6

Ψυκτικός κύκλος Συμπίεσης αερίου COP Ψυγεία και αντλίες Θερμότητας Επιθυμητόαποτέλεσμα Συντελεστή ς λειτουργίας = COP = Απαιτούμενη είσοδος R = = = W NET 1 1 Ψυγείο

Ισοδυναμία των δύο διατυπώσεων Δεν είναι δυνατόν να κατασκευαστεί μια διάταξη η οποία λειτουργεί σε κύκλο με μοναδικό αποτέλεσμα την μεταφορά θερμότητας από ένα

7 Ψυκτικός κύκλος Συμπίεσης αερίου COP Ψυγεία και αντλίες Θερμότητας Επιθυμητόαποτέλεσμα Συντελεστή ς λειτουργίας = COP = Απαιτούμενη είσοδος R = = = W NET 1 1 Ψυγείο Αντλία θερμότητας COP = P W = NET = 1 1 COP P =COP R + 1 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 25 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 26 Δεύτερος νόμος Διατύπωση Clausius Ισοδυναμία των δύο διατυπώσεων Δεν είναι δυνατόν να κατασκευαστεί μια διάταξη η οποία λειτουργεί σε κύκλο με μοναδικό αποτέλεσμα την μεταφορά θερμότητας από ένα σώμα χαμηλότερης θερμοκρασίας προς ένα σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας. Ισοδυναμία των δύο διατυπώσεων Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 27 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 28 7

8 Β Νόμος: Καμιά Θερμική μηχανή δεν μπορεί να έχει απόδοση 100%. Ερώτημα: Ποια είναι η μέγιστη δυνατή απόδοση μιας μηχανής; Αντιστρεπτές και μη-αντιστρεπτές διεργασίες Αντιστρεπτές και μη-αντιστρεπτές διεργασίες Αντιστρεπτή διεργασία είναι αυτή που μετά το τέλος της τόσο το σύστημα όσο και το περιβάλλον μπορούν να επανέλθουν στις αρχικές τους καταστάσεις χωρίς να προκαλείται καμιά άλλη μεταβολή. Το σύστημα δεν μπορεί να επιστρέψει αυθόρμητα στην αρχική του κατάσταση Οι πραγματικές φυσικές διεργασίες είναι μη αντιστρεπτές. Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 29 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 30 Αντιστρεπτές και μη-αντιστρεπτές διεργασίες Αντιστρεπτές και μη-αντιστρεπτές διεργασίες Γιατί μας απασχολούν οι αντιστρεπτές διεργασίες αφού δεν υπάρχουν στην φύση; 1. Γιατί είναι εύκολες στην ανάλυση τους. 2. Αποτελούν ιδανικά πρότυπα για σύγκριση των πραγματικών διεργασιών. Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 31 Οι μηχανικοί επιδιώκουν σχεδιασμό διατάξεων παραγωγής του μέγιστου δυνατού έργου, και κατανάλωσης του ελάχιστου δυνατού έργου. Οι διεργασίες πρέπει να προσεγγίζουν τις αντιστρεπτές Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 32 8

Αντιστρεπτές και μη-αντιστρεπτές διεργασίες Κύκλος Carnot Αναντιστρεπτότητα διεργασιών Εξωτερική-Εσωτερική Μηχανική Αναντιστρεπτότητα Θερμοδοχείο Τ Η Εξωτερική-Εσωτερική Θερμική Αναντιστρεπτότητα

9 Αντιστρεπτές και μη-αντιστρεπτές διεργασίες Κύκλος Carnot Αναντιστρεπτότητα διεργασιών Εξωτερική-Εσωτερική Μηχανική Αναντιστρεπτότητα Θερμοδοχείο Τ Η Εξωτερική-Εσωτερική Θερμική Αναντιστρεπτότητα Χημική Αναντιστρεπτότητα Αντιστρεπτή Ισόθερμη σε Τ Η Προσθήκη Συνθήκες Αντιστρεπτότητας διεργασιών Αντιστρεπτή αδιαβατική από T σε T Εργαζόμενη Ουσία Αντιστρεπτή αδιαβατική από T σε T 1. Να εκτελούνται ημιστατικά 2. Να μην συνοδεύονται από εκφυλιστικούς παράγοντες αντιστρεπτότητας (Τριβή, ιξώδες, ανελαστικότητα, ηλ. αντίσταση, τύρβη, μετάδοση θερμότητας κλπ) Αντιστρεπτή Ισόθερμη σε Τ Απόρριψη C Θερμοδοχείο Τ Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 33 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 34 Κύκλος Carnot Ιδανικού Αερίου Ψυκτικός Κύκλος Carnot Ιδανικού Αερίου Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 35 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 36 9

θερμοδοχείων (θερμοκρασιακών ορίων) ) 2.

10 Τα αξιώματα του Carnot 1. Η απόδοση μιας μη-αντιστρεπτής θερμικής μηχανής είναι πάντοτε μικρότερη από την απόδοση μιας αντιστρεπτής όταν και οι δύο λειτουργούν μεταξύ των ίδιων θερμοδοχείων (θερμοκρασιακών ορίων) ) 2. Οι αποδόσεις όλων των αντιστρεπτών θερμικών μηχανών είναι ίδιες όταν λειτουργούν μεταξύ των ίδιων θερμοδοχείων (θερμοκρασιακών ορίων). Τα αξιώματα του Carnot Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 37 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 38 Τα αξιώματα του Carnot Η Θερμοκρασιακή κλίμακα Kelvin... Μια συνέπεια των αξιωμάτων Carnot Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 39 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 40 10

11 Μια απόρροια των αξιωμάτων Carnot... T W = - Οι αποδόσεις όλων των αντιστρεπτών θερμικών μηχανών είναι ίδιες όταν λειτουργούν μεταξύ των ίδιων θερμοδοχείων Έτσι η απόδοση του κύκλου πρέπει να εξαρτάται μόνο από τις θερμοκρασίες των θερμοδοχείων. n = 1 - = g T T ή = f T T T (, ) (, ) Θερμοδυναμική κλίμακα Θερμοκρασιών 1 = ft ( 1, T 2) (1) = ft ( 1, T 3) (3) 3 = ft (, T ) (2) 2 3 ( 1) ( ) φ T φ T (1) x (2) = ή ft (, T) = ft (, T) ft (, T) f (T 1,T3 ) = = 1 3 = φ T = φ T 3 ( ) T = ( ) T και 3 f(t,t ) ( 1) ( ) φ T φ T 3 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 41 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 42 Η Θερμοκρασιακή κλίμακα Kelvin T = T= Ttr Ttr tr tr Θέτοντας T =273,16 T= ,16 tr Κλίμακα ανεξάρτητη από θερμομετρική ουσία. Καθαρά θερμοδυναμική Τι συμβαίνει για T=0 K ; tr Από τον ορισμό της θερμικής απόδοσης T η C = 1 = 1 T r, r, r, r, Για T >> T, η θερμική απόδοση προσεγγίζει το 100%. Αποδόσεις Ψυκτικών Διατάξεων Carnot COP COP 1 1 Τ 1 1 Τ 1 1 = = = W NET 1 1 Τ Τ RC, = = = W NET P, C Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 43 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 44 11

12 Αποδόσεις Carnot για T = 298 K. η 0.40 Moran and Shapiro, 3rd Edn., John Wiley, Σημειώστε ότι το τμήμα a-b δίνει αποδόσεις των πιο σύγχρονων τεχνολογιών παραγωγής ισχύος. Τα περισσότερα συμβατικά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με ανακομιδή θερμότητας λειτουργούν με θερμικές αποδόσεις ~ 40%. Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 45 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 46 Δίχρονη παλινδρομική μηχανή Κύκλος Diesel Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 47 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 48 12

13 Κύκλος Otto- Βενζινοκινητήρας CARNOT EFFICIENCY TERMA EFFICIENCY η 1 καθώς T TEMPERATURE (K) Αποδόσεις Carnot για T = 298 K. Note that the segment a-b represents efficiencies for most contemporary power producing technologies. Most conventional electric generating systems operate at ~ 40% thermal efficiency with waste heat recovery. Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 49 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 50 13

Σχετικά έγγραφα

Περιεχόμενα. 2ος ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ. Περιορισμοί του 1ου νόμου. Γένεση - Καταστροφή ενέργειας

Περιεχόμενα. 2ος ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ. Περιορισμοί του 1ου νόμου. Γένεση - Καταστροφή ενέργειας ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ I Περιεχόμενα This 1000 hp engine photo is courtesy of Bugatti automobiles. 2ος ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Εισαγωγή στον 2ο Θερμοδυναμικό Νόμο Θερμικές Μηχανές: Χαρακτηριστικά-