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

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

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

Θεοφύλακτος Βλαστός
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 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- Απόδοση - Θερμική Απόδοση Ο Δεύτερος Νόμος της Θερμοδυναμικής-Διατύπωση Kelvin-Plank Παραδείγματα θερμικών μηχανών Ψυκτικοί κύκλοι- Ψυγεία και αντλίες Θερμότητας Δεύτερος νόμος Διατύπωση Clausius Αντιστρεπτές και μη-αντιστρεπτές διεργασίες Κύκλος Carnot-Τα αξιώματα του Carnot Η Θερμοκρασιακή κλίμακα Kelvin Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 1 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 2 Εισαγωγή στον 2ο Θερμοδυναμικό Νόμο Εισαγωγή στον 2ο Θερμοδυναμικό Νόμο Περιορισμοί του 1ου νόμου. Γένεση - Καταστροφή ενέργειας 2ος Νόμος κατεύθυνση διεργασιών-ποιότητα ενέργειας. Παραβίαση του 2ου νόμου-εντροπία Διεργασίες που μπορούν να εξελιχθούν προς μία μόνο κατεύθυνση. Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 3 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 4 1

ΕΡΓΟ-ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ Θερμικές Μηχανές: Ειδικές διατάξεις μετατροπής της Θερμότητας σε Έργο Ειδικές διατάξεις μετατροπής της Θερμότητας σε Έργο Θερμικές Μηχανές Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 5 Δεξαμενές

Παραδείγματα: Θάλασσα, ατμόσφαιρα, μια λίμνη, ένα ποτάμι, ένας βιομηχανικός φούρνος Θερμοδοχεία - Ψυχροδοχεία Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 6 Κοινά χαρακτηριστικά θερμικών μηχανών Θερμοδοχείο Τ

2 ΕΡΓΟ-ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ Θερμικές Μηχανές: Ειδικές διατάξεις μετατροπής της Θερμότητας σε Έργο Ειδικές διατάξεις μετατροπής της Θερμότητας σε Έργο Θερμικές Μηχανές Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 5 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 6 Κοινά χαρακτηριστικά θερμικών μηχανών Θερμοδοχείο Τ Απορρόφηση θερμότητας από θερμοδοχείο υψηλής θερμοκρασίας Κοινά χαρακτηριστικά θερμικών μηχανών Θερμοδοχείο Τ Μετατροπή μέρους της θερμότητας σε έργο Κυκλική λειτουργία Η ενεργειακές μεταφορές υλοποιούνται από διεργασίες που πραγματοποιούνται από το Λειτουργόν Ρευστό ή Μέσον Ψυχροδοχείο Τ Απόρριψη της υπόλοιπης θερμότητας σε ψυχροδοχείο χαμηλής θερμοκρασίας Ψυχροδοχείο Τ Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 7 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 8 2

Διατάξεις παραγωγής έργου Εξωτερική πηγή Ενέργειας Λέβητας Αντλία Στρόβιλος Μηχανές εσωτερικήςεξωτερικής καύσης Συμπυκνωτής Περιβάλλον Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 9 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1,

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

ΑΤΜΟΜΗΧΑΝΗ Ψυχροδοχείο Τ Μια διάταξη που λειτουργεί σε κύκλο είναι αδύνατον να παίρνει θερμότητα από μία δεξαμενή και να

4 Θερμική απόδοση Μπορεί να εξοικονομηθεί η out Πόσο μπορεί να αυξηθεί η θερμική απόδοση; Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 13 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 14 Ο Δεύτερος Νόμος της Θερμοδυναμικής Διατύπωση Kelvin-Plank Θερμοδοχείο Τ ΑΤΜΟΜΗΧΑΝΗ 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 15 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 16 4

Παραδείγματα θερμικών μηχανών Μηχανές Εσωτερικής Καύσης (Otto Diesel) Τετράχρονος Κινητήρας Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 17 Κεφάλαιο4, Ενότητα

5 Παραδείγματα θερμικών μηχανών Μηχανές Εσωτερικής Καύσης (Otto Diesel) Τετράχρονος Κινητήρας Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 17 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 18 Κύκλος Βενζινοκινητήρα (Otto) Δίχρονη παλινδρομική μηχανή Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 19 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 20 5

22 Ατμοπαραγωγός Κύκλος Αεριοστροβίλου Κεφάλαιο4,

6 Κύκλος Diesel Περιστροφικές Μηχανές (Wankel) Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 21 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 22 Ατμοπαραγωγός Κύκλος Αεριοστροβίλου Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 23 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 24 6

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

7 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 25 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 26 Ψυκτικός κύκλος Συμπίεσης αερίου COP Ψυγεία και αντλίες Θερμότητας Συντελεστής λειτουργίας R W NET Επιθυμητόαποτέλεσμα COP Απαιτούμενη είσοδος 1 1 Ψυγείο Αντλία θερμότητας COP P W NET 1 1 COP P =COP R + 1 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 27 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 28 7

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

8 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 29 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 30 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 31 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 32 8

Αντιστρεπτές και μη-αντιστρεπτές διεργασίες Αντιστρεπτές και μη-αντιστρεπτές διεργασίες Γιατί μας απασχολούν οι αντιστρεπτές διεργασίες αφού δεν υπάρχουν στην φύση; 1.

9 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 33 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 34 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 35 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 36 9

Η απόδοση μιας μη-αντιστρεπτής θερμικής μηχανής είναι πάντοτε μικρότερη από την απόδοση μιας αντιστρεπτής όταν και οι δύο λειτουργούν μεταξύ των

10 Κύκλος Carnot Ιδανικού Αερίου Ψυκτικός Κύκλος Carnot Ιδανικού Αερίου Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 37 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 38 Τα αξιώματα του Carnot 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). Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 39 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 40 10

11 Μια απόρροια των αξιωμάτων Carnot... T W = - Η Θερμοκρασιακή κλίμακα Kelvin... Μια συνέπεια των αξιωμάτων Carnot 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 (, ) (, ) Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 41 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 42 Θερμοδυναμική κλίμακα Θερμοκρασιών 1 ft ( 1, T 2) (1) ft ( 1, T 3) (3) 3 ft (, T ) (2) φ T f(t 1,T3 ) φ T φ T φ T 3 T T και (1) x (2) ή ft (, T) ft (, T) ft (, T) φ T f(t 1,T3 ) φ T 3 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 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 43 Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 44 11

12 Από τον ορισμό της θερμικής απόδοσης T ηc 1 1 T r, r, r, r, Για T >> T, η θερμική απόδοση προσεγγίζει το 100%. Αποδόσεις Carnot για T = 298 K Αποδόσεις Ψυκτικών Διατάξεων Carnot COP COP RC, W NET Τ P, C W NET Τ Τ Τ Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 45 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 46 Βασικές έννοιες και ορισμοί Εισαγωγή στον 2ο Θερμοδυναμικό Νόμο Θερμικές Μηχανές: Χαρακτηριστικά- Απόδοση - Θερμική Απόδοση Ο Δεύτερος Νόμος της Θερμοδυναμικής-Διατύπωση Kelvin-Plank Παραδείγματα θερμικών μηχανών Ψυκτικοί κύκλοι- Ψυγεία και αντλίες Θερμότητας Δεύτερος νόμος Διατύπωση Clausius Αντιστρεπτές και μη-αντιστρεπτές διεργασίες Κύκλος Carnot-Τα αξιώματα του Carnot Η Θερμοκρασιακή κλίμακα Kelvin Κεφάλαιο4, Ενότητα 1, Διαφάνεια 47 12

Σχετικά έγγραφα

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

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