TERMODINAMIKA. 1. Pagrindinės sąvokos ir apibrėžimai

Transcript

1 TERMODINAMIKA 1. Pagrindinės sąvks ir apibrėžimai Įvadas Termdinamika (T) graikiškas ždisiš dviejų daliųterm (šiluma) + dinamika (jėga). Tai fundamentalus bendrsis inžinerijs mkslas apie energiją : js sąvkas, frmas, savybes, transfrmavim galimybes įvairiuse fizikiniuse, cheminiuse ir kt. prcesuse Pagrindiniai kūnų būklės parametrai Dydžiai, apibūdinantys tam tikrs būklės medžiagą, vadinami būklės parametrais. Dažniausiai medžiags būklė apibūdinama šiais parametrais: savituju tūriu, slėgiu ir temperatūra. 1. Savituju tūriu (v) vadinamas medžiags vienet tūris. Jei medžiags tūris V, m 3, ir masė M, kg, j savitasis tūris lygus v = V/M, m 3 /kg. (1.1) Atvirkščias savitajam tūriui dydis yra vadinamas tankiu: ρ = M/V = 1/v, kg/m 3. (1.2) Iš (1.2) lygties išeina, kad ρv = 1, V = Mv = M/ρ, m 3 ir M = ρv = V/v, kg. 1. Slėgis (p) SI sistemje matujamas paskaliais (Pa). Paskalis tai 1 N (Niutn) jėgs slėgis į statmeną jai paviršių, kuri pltas 1 m 2, t.y. 1 Pa = 1 N/m 2. Kadangi šis vienetas labai mažas, praktikje vartjami karttiniai dydžiai: kilpaskalis kpa = 10 3 Pa, baras bar = 10 5 Pa, megapaskalis MPa = 10 6 Pa. Ankstesnėje vienetų sistemje (MKGS) slėgis buv matujamas kgf/m 2 : 1 at = 104 kgf/m 2 = 1 kgf/cm 2 1 bar 100 kpa 0,1 MPa. Slėgis dažnai matujamas skysči manmetrais, kurie dažniausiai būna pripildyti vandens arba gyvsidabri. Apskaičiuta, kad 1 Pa = 0,102 mm H 2 O = 7, mm Hg ir 1 at = 735,5 mm Hg = 4 10 mm H2O. Slėgiui matuti naudjami barmetrai, manmetrai ir vakuummetrai. Barmetrais matujamas atmsfers slėgis, manmetrais slėgis, kuris yra aukštesnis už atmsfers slėgį, ir vakuummetrais slėgis, mažesnis už atmsfers slėgį. Manmetru išmatutas slėgis vadinamas manmetriniu arba pertekliniu slėgiu, vakuummetru vakuumu, barmetru barmetriniu arba atmsfers slėgiu. Termdinamikje skaičiujant naudjamas tik absliutusis slėgis p = p + p man bar, (1.3) kuris lygus manmetrini ir barmetrini slėgių sumai. Kai slėgis mažesnis už barmetrinį, absliučiji ši slėgi reikšmė lygi barmetrini slėgi ir vakuum skirtumui, t. y. p = p bar p vak. (1.4)

2 Iš (1.3) ir (1.4) frmulių matyti, kad keičiantis barmetriniam slėgiui, keičiasi manmetrinis slėgis ir vakuumas, absliutusis slėgis lieka nepakitęs, jei tik nepakinta medžiags būklė. 2. Temperatūra rd kūn įšilim laipsnį. Termdinamikje skaičiavimui naudjama absliučiji temperatūra T, kuris matavim vienetas yra Kelvinas (K). Praktikje dažniausiai naudjama šimtalaipsnė Celsijaus skalė, kur matavim vienetas yra Celsijaus laipsnis ( C). Tarp absliučisis ir šimtalaipsnės skalės vienetais išreikštų temperatūrų yra tkia sąsaja: ( K) = t( C) +. T 273,15 Praktiniam tikslumui visiškai pakanka šis sąsajs: y. ( K) = t( C) T (1.5) Iš čia matyti, kad temperatūrų skirtumas, kai ji pasikeičia nu T 1 iki T 2, pagal abi skales yra tas pats, t., arba Δ T = Δt. T1 T2 = t1 t2 Matujant slėgį gyvsidabri stulpeli aukščiu būtina atsižvelgti į tai, kad prietais rdmu priklaus ne tik nu matujams aplinks slėgi, bet ir nu gyvsidabri temperatūrs, nes jai keičiantis keičiasi gyvsidabri tankis. Tai būtina įvertinti perskaičiujant slėgį, išmatutą Hg stulpeli aukščiu, kitais slėgi vienetais. Šiam tikslui gyvsidabri stulpeli aukštis, esant t C, perskaičiujamas į aukštį, esant 0 C, pagal šią frmulę: čia: p bar = pbar ( 1 0, t), (1.6) p bar barmetrinis slėgis, perskaičiutas 0 C; p bar tikrasis barmetrinis slėgis, esant t C temperatūrai; 0, Hg tūrini plėtimsi keficientas Idealisis dujs ir jų pagrindiniai dėsniai Idealisimis vadinams dujs, susidedančis iš mlekulių, laikmų materialiaisiais taškais, nesąveikaujančiais tarpusavyje. Visas realiąsias nedideli slėgi aukštesnės temperatūrs dujas galima laikyti idealisimis. Kada uždavini sąlygje dutąsias dujas laikyti idealisimis ir realisimis, priklaus nu knkrečių sąlygų. Pagrindinės priklausmybės, apibūdinančis sąsają tarp pagrindinių būklės parametrų, esant apibrėžtms būklės kitim sąlygms, gaunams iš pagrindinės dujų kinetinės terijs lygties. 1 kilgramui idealiųjų dujų, remiantis Klapeirn (Clapeyrne) lygtimi, gauta ši priklausmybė: pv = RT, (1.7) čia R dujų knstanta J/(kg K), priklausanti nu dujų cheminės sudėties. Padauginę abi (1.7) lygties puses iš dujų M, gauname pv = MRT, (1.8) čia V M dujų tūris. Ši lygtis yra vadinama idealiųjų dujų būklės būdingąja lygtimi arba Klapeirn lygtimi. Padauginę (1.7) lygties abi puses iš dujų mlekulinės μ, gauname pvμ = μrt, čia vμ yra dujų 1 kilmli tūris, žymimas V μ. Tada

3 pv μ =μrt. Pagal Avgadr dėsnį, kai viendi p ir T, dujų 1 kilmli tūris yra pastvus, t. y. pv μ = μr = cnst = Rμ.. T Iš čia išeina, kad sandauga μr yra pastvi bet kuris būklės dujms nepriklausmai nu jų rūšies. Tdėl šis dydis vadinamas universaliąja knstanta. Js skaitinė reikšmė nustatma įrašius į lygtį nrmaliųjų sąlygų parametrus: p n = Pa, T n = 273,15 K ir V μ = 22,4 m³/kml: R μ = μr = ,4/273,15 = 8314 J/(kml K). Žinant dujų mlekulinę masę, nesunku apskaičiuti knstants R reikšmę J/(kg K): R = R μ / μ = 8314 / μ. Dažnai praktikje yra naudjamas dujų tūris V n, išreikštas nrmaliniais m³, t. y. esant nrmalims sąlygms. Jis yra skaičiujamas pagal frmulę: Vn = V ( p / p n ) ( T n / T ), (1.10) čia V dujų tūris, esant slėgiui p ir temperatūrai T. (1.9) 1.2. Sistema ir būsena Sistema ir js ribs Termdinaminis tyrimas pradedamas apsiribjant tam tikra erdvės dalimi. Tai, kas yra šije erdvėje, t.y. ts erdvės dalies turinys, ir bus termdinaminė sistema. Visa, kas yra už termdinaminės sistems, vadinama apsuptimi (išre). Dalis apsupties taip pat gali būti išskirta kaip kita sistema. Nu apsupties sistema atskirta materialiu arba įsivaizdujamu paviršiumi sistems riba. Ši riba turi vienareikšmiškai apibrėžti sistemą. Sistems ribai gali būti suteikiams idealizuts savybės, pvz., laidi (nelaidi) energijai, laidi (nelaidi) medžiags srautui. Uždarsis sistems ribs nelaidžis medžiagai (sistems tūris gali keistis, ribs gali keisti sav padėtį, bet medžiags kiekis sistemje nekinta). Atvirsis sistems (pratakis) yra laidžis medžiags srautui, t.y. js turi tam tikras erdvines ribas, laidžias medžiagai. Atvirsis termdinaminės sistems riba dar vadinamą kntrline erdve. Aptartų sistemų techniniai pavyzdžiai pavaizduti 1.1 ir 1.2 paveiksluse. Jei sistems riba nelaidi ne tik medžiagai, bet ir kkiai nrs kitai sistems tarpusavi sąveikai su aplinka, pvz., energijs perdavimui, tai turima izliutji sistema. Kiekviena izliutji sistema esant reikalui gali būti, bet ne kiekviena sistema yra izliutji sistema. 1.1.pav. Uždarsis termdinaminės sistems pavyzdys

4 1.2 pav. Atvirsis termdinaminės sistems pavyzdys Dvi sistems gali sudaryti vieną naują sistemą. Iš sistems galima išskirti js dalį ir susidariusių sistemų tarpusavi sąveiks ištyrimui nagrinėti ją kaip savarankišką sistemą. 1.3.paveiksle pateikiams įvairis termdinaminės sistems ir jų pagrindiniai bružai. Skaitant knygelę pirmą kartą ne visi pateikti atvejai gali būti iki gal suprantami, tačiau patartina nagrinėjant kitus skyrius sugrįžti prie šis paveiksl. 1.3 pav. Paprastų termdinaminių sistemų pavyzdžiai 1. Schema Termdinaminė sistema be Perdavimas Techninis pavyzdys pastvaus tūri 2. ne be pastvaus tūri ne ne kintam tūri (cilindras) kintam tūri ne Iliustracija paimta iš knygs "Brel L. Thermdynamique et energetique, 3 ed. Presses plytechniques rmandes, Lausanne, 1991."

5 1.3 pav. tęsinys Schema 5. Termdinaminė sistema be Perdavimas Techninis pavyzdys vamzdis 6. be šilumkaitis 7. ne be ne vamzdis 8. gar variklis siurblys 9. ne 10. stūmklinis kmpresrius, benzininis variklis, dyzelinis variklis gar turbina, dujų turbina, hidrturbina 11. ne Turbininis kmpresrius, turbininis siurblys sienelė; W darbas; šilumai laidi sienelė; Q šiluma; sistems riba; m masė. Sistems ribse dažniausiai yra tam tikras kiekis energijs transfrmavim prcesuse galinčis dalyvauti medžiags (pvz. dujų, skysči), kuri daugiau praktiniu pžiūriu dažnai vadinama kūnu.