5. PRVI PRINCIP TERMODINAMIKE

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "5. PRVI PRINCIP TERMODINAMIKE"

Ἀχείμ Δασκαλοπούλου
6 χρόνια πριν
Προβολές:

1 5. PRVI PRINCIP TERMODINAMIKE 5. Uvod Prvi rinci termodinamike je asolutni rirodni zakon koji važi za sve ojave koje se odigravaju na svim rostornim nivoima (mikro, makro i mega svetu) Zasnovan je na brojnim analizama, osrednim i neosrednim dokazima, ekserimentima o odnosima različitih vrsta energije Neke od formulacija: Energiju nije moguće niti stvoriti, niti uništiti. Ona samo može da menja svoje ojavne oblike Ukuna energija svemira je neromenljiva... U termodinamici termodinamički (termo-mehanički) sistem Ukuna energija izolovanog termodinamičkog sistema je neromenljiva E sist = 0 Slika 5.. Mehanički sistem Slika 5.. Izolovan termo-mehanički sistem 33

oruge rad elastičnih deformacija Nemehanički električnim energetskim dejstvom (magnetnim energetskim

2 5. Načini razmene energije zatvorenog termomehaničkog sistema sa njegovom okolinom Tolotom - tolotnim energetskim dejstvom Radom mehaničkim mehaničkim energetskim dejstvom rad vratila rad romene zaremine rad oruge rad elastičnih deformacija Nemehanički električnim energetskim dejstvom (magnetnim energetskim dejstvom) Tolotnim energetskim dejstvom Rad vratila W el W V Rad romene zaremine Električnim energetskim dejstvom 34

5.3 Tolota ( tolotiranje, tolotovanje ) Energetsko dejstvo sistema i njegove okoline - veličina rocesa Proces renošenja energije kroz granice termodinamičkog sistema izazvan isključivo razlikom

izvor reda termodinamičkom sistemu TMS TTMS [J] - količina tolote (energije) koju usled međusobne razlike temeratura termodinamički sistem, reda tzv.

3 5.3 Tolota ( tolotiranje, tolotovanje ) Energetsko dejstvo sistema i njegove okoline - veličina rocesa Proces renošenja energije kroz granice termodinamičkog sistema izazvan isključivo razlikom temeratura termomehaničkog sistema i njegove okoline T i > T TMS Izvor tolote ili tolotni izvor TMS TTMS [J] - količina tolote (količina energije) koju, usled razlike međusobnih temeratura, tolotni izvor reda termodinamičkom sistemu TMS TTMS [J] - količina tolote (energije) koju usled međusobne razlike temeratura termodinamički sistem, reda tzv. tolotnom onoru T <T TMS Tolota se kao roces renošenja energije, izazvan razlikom temeratura, može odvijati i između radnih sustancija unutar jednog termodinamičkog sistema, kao i unutar same radne sustancijaje, u koliko ona nije u temeraturskoj ravnoteži Tolota, kao roces renošenja (unutrašnje) energije, uzrokovana razlikom temeratura, neosredno je ovezana sa intezitetom kretanja, aktivnošću molekula, atoma i drugih mikro čestica koje sačinjavaju sustancu, tj. ona redstavlja direktnu osledicu ovih kretanja Razlikujemo tri mehanizma renošenja tolote - renošenje unutrašnje (termičke) energije: kondukcija, konvekcija i radijacija. 35

Osnovni termini Količina tolote [ J ]; Tolota veličina rocesa -ne oseduje osobinu totalnog diferencijala δ a ne d δ= - količina tolote redate tokom rocesa - δ= - netačno!

4 Osnovni termini Količina tolote [ J ]; Tolota veličina rocesa -ne oseduje osobinu totalnog diferencijala δ a ne d δ= - količina tolote redate tokom rocesa - δ= - netačno! δ Tolotni rotok (fluks) Φ = [ W ]; ošte dt Φ = = [ W ]; ustaljeni uslovi t t t Secifični količina tolote q = [ J/kg ] ; m Površinski tolotni rotok (tolotni rotok sveden na jedinicu ovršine) Φ ϕ = W/m Α - važi za uniformnu rasodelu tolotnih rotoka o nekoj ovrši, Podužni (linijski) tolotni rotok (tolotni rotok sveden na jedinicu dužine) (cevi, kanali, žice,i drugi linijski objekti) Φ ϕ l = [ W/m ] - za uniformnu rasodelu tolotnih rotoka l KONDUKCIJA rovođenje tolote Karakteristična za sustancijaje u čvrstom stanju, ali se ostvaruje i kod fluida I kod fluida-molekuli sa većom aktivnošću intezitetom kretanja sudaraju se sa onim sa manjom aktivnošću, renoseći im tako i ovećavajući unutrašnju energiju (temeraturu) ϕ = λgradt Furijeva hioteza (Fourie) - vektor ovršinskog tolotnog rotoka Ošte: λ - tenzor drugog reda U ovom kursu radi se samo λ - skalar, λ = const 36

Ravan beskonačan zid Površinski tolotni rotok Beskonačan cilindričan zid λ ϕ= ( T T ) [W/m ] δ s s Linijski tolotni rotok ( Ts Ts) ϕ l = d ln πλ d [W/m] KONVEKCIJA relaženje tolote konvekcija

5 Ravan beskonačan zid Površinski tolotni rotok Beskonačan cilindričan zid λ ϕ= ( T T ) [W/m ] δ s s Linijski tolotni rotok ( Ts Ts) ϕ l = d ln πλ d [W/m] KONVEKCIJA relaženje tolote konvekcija renošenje unutrašnje (termičke) energije strujanjem fluida rirodna konvekcija rirodno relaženje tolote - Kada energija, kondukcijom sa čvrste ovršine, dose u rvobitno miran fluid, temeratura fluidnih delića uz ovršinu se oveća, izazivajući i lokalno širenje fluidnih delića, tj. smanjenje njihove gustine. Zbog ostojanja gravitacijom izazvanog gradijenta ritiska u fluidu, rošireni fluidni delići, manje gustine uzdižu se i menjaju svoj oložaj, stvarajući lokalno strujanje fluida. Usled nastalog kretanja fluida, ored kondukcije, u fluidu se javlja i renošenje energije, makro kretanjem fluida, tj. konvekcijom. Takvo rostiranje energije u fluidu, čije je makro kretanje izazvano samo tolotnim dejstvom naziva se rirodna konvekcija ili rirodno relaženje tolote. rinudna konvekcija rinudno relaženje tolote - U slučaju kada se fluid već nalazi u kretanju (ogonjen ventilatorom, umom ili komresorom...) energija koja kondukcijom (mikrokretanjima) dose sa čvrste ovršine u fluid se rvenstveno renosi kretanjem fluida, tj. konvekcijom. Takav slučaj renošenja energije naziva se rinudna konvekcija Njutnova ( Newton) hioteza Površinski tolotni rotok: ϕ = h( Ts Tf) za Ts > Tf ϕ = h( Tf Ts) za Tf < Ts 37

6 Koeficijent relaženja tolote: h W/(m K) h= f(geometrije, x, y, z; w, w w ; λ, ρ, c, režima strujanja...) RADIJACIJA zračenje x y, z f f Sve sustance, ukoliko se nalaze na temeraturi višoj od 0K emituju u svoju okolinu elektromagnetne talase. Ovi talasi ili fotoni (talasnokoruskularna riroda elektromagnetnog zračenja), nastaju ri relasku elektrona sa energetski viših na energetski niže nivoe. Rasodela emitovanih energija o talasnim dužinama (sektar zračenja) zavisi od temerature same sustancijaje. (Sektar zračenja rostire se od γ zračenja reko, x -zračenja, ultraviolentnog, vidljiva svetlost, tolotnog-infra crvenog, a sve do radio talasa). Ukoliko se dve sustancije nalaze na istim temeraturama (ovrši tih sustancija) ukuno razmenjena energija omoću elektro-magnetnih talasa zračenjem je jednak nuli. Ova dinamička ravnoteža narušava se u slučaju da sustancije imaju međusobno različite temerature (ovrši). U tom slučaju, ovu vrstu razmene energije nazivamo zračenjem (ili tolotnim zračenjem, zračenjem tolote). Izgled osnovnog izraza za izračunavanje razmenjene energije zračenjem Konstanta zračenja crnog tela C c 4 4 T T Φ = CcεredH, Efektivna ovršina uzajamnog zračenja H, i geometrijski faktori zračenja ϕ,, ϕ, - tabela 8.5.5, str 47. Redukovana emisivnost ε red H = ϕ A,, 38

7 ε red = + ϕ + ϕ ε,, ε Emisivnost ovršina ε, ε - tabela 8.5., str 43, tabela 8.5.3, str 45, tabela 8.5.4, str Radovi Energija koja rolazi kroz granicu termomehaničkog sistema, ri čemu se kao jedina osledica u termomehaničkom sistemu, ili okolni termomehaničkog sistema, javlja, ili bi moglo da se javi odizanje nekog tereta (Carnot - 84) Mehanička energetska dejstva Uređenim kretanjem neke okretne čvrste ovrši, strukturne čestice bivaju omerane (na uređen način), te im se tako ovećava intezitet kretanja, odnosno renosi energija. (Tolota na haotičan i neuređen način utiče na ovećanje inteziteta kretanja molekula, atoma i dr. mikro čestica). Mehanički rad δ d δ W = W = F s W = W = W W * Ne ostoji totalni diferencijal rada, jer je rad veličina rocesa (a ne veličina stanja sustancije) a) Zareminski rad (rad usled romene zaremine, asolutni rad, rad okretne granice sistema F dx x m Ravnotezna romena stanja + WV, dv V m 3 39

8 Izvršeni zareminski rad (elementaran zareminski rad ri ravnotežnoj romeni stanja δw snaga b) Rad vratila - W sh [J] ( Shaft ) WV, = δw = dv [J] P V V δwv = [W] d t V = dv ) Izvršeni rad vratila (elementaran rad vratila snaga δw = M dα, moment M = Fr) sh Wsh, = δw = M dα [J] sh Psh = M ω [W] ugaona brzina dα ω = dt U slučaju zatvorenog termodinamičkog sistema, termodinamičkog sistema može izvršiti zareminski rad nad okolinom i obrnuto, okolina može izvršiti zareminski rad nad termodinamičkog sistema. Za razliku od zareminskog rada, rad vratila je moguće samo izvršiti nad termodinamičkim sistemom. U zatvorenom termodinamičkom sistemu, rad vratila se o ravilu retvara ili u tzv. rad viskoznih sila ili u rad sila suvog trenja (disiacija). δw = τ Ad x µ µ P el δw = F d x tr Pravo značenje rada vratila uočljivo je kod rotočnih termodinamičkih sistema ventilatora, komresora, turbine,... tr P sh 40

5.4. Nemehanička energetska dejstva Električno energetsko dejstvo δ W = I U d t - za jednosmernu struju el δ Wel = I U cosϕ d t - za naizmeničnu struju ( cosϕ - tzv.

unutrašnju, kinetičku i otencijalnu energiju (i izvedenu veličinu entaliju) Rad i tolota nisu veličine stanja I rad i tolota nemaju totalne diferencijale δw, δ

9 5.4. Nemehanička energetska dejstva Električno energetsko dejstvo δ W = I U d t - za jednosmernu struju el δ Wel = I U cosϕ d t - za naizmeničnu struju ( cosϕ - tzv. faktor snage) W el Nekoliko činjenica vezanih za tolotu i rad Telo ne oseduje ni rad ni tolotu kao energiju, jer su to vidovi renošenja energije Telo može da oseduje unutrašnju, kinetičku i otencijalnu energiju (i izvedenu veličinu entaliju) Rad i tolota nisu veličine stanja I rad i tolota nemaju totalne diferencijale δw, δ Tolota je u oređenju sa radom nekvalitetniji oblik energetskog dejstva. Rad uvek i u otunosti možemo retvoriti u tolotu, a tolotu možemo samo delimično retvoriti u rad. 4

10 5.5 Zareminski i zareminski koristan rad Zareminski rad rad usled romene zaremine F d x x [ m] Ravnotežna romena stanja + WV, d V V [ m 3 ] Sile koje deluju na kli A F + amb A Za ravnotežne romene stanja F + amb A F = + A A Mehanički rad δw = F d s Izražava se reko veličina stanja amb amb δ W = ( F + A ) dx V δw = A dx= dv V izvršeni rad V, = δ V = W W dv 4

11 Koristan zareminski rad Pri sabijanju gasa, i okolina ritiskom rad nad sistemom ( dv < 0, sabijanje) amb sabija gas, na taj način i ona delom obavlja Pri širenju gasa ( dv > 0) deo rada se ( troši ) koristi za sabijanje okoline. kor sab.okol. V, = V, + V, W W W amb granicnici d x x [ m] Ravnotežna romena stanja kor WV, amb - sab.okl. WV, WV, V [ m 3 ] F W = dv = + dv A V, amb kor V, = amb d + V, W V W sab.ok V, = amb = amb W d V ( V V ) širenje dv > 0 sabijanje dv < 0 sab.ok WV, ( ) sab.ok WV, (+) 43

12 δ 5.6 Prvi rinci termodinamike za zatvoreni termo-mehanički sistem + ω w - Wj z + C Wi - z C y x Ako se sistem nalazi u olju fizičke sile (gravitaciona sila) E Kretanje (translacija, rotacija) E k I rinci TD za zatvoren termodinamičkog sistema u diferencijalnom obliku δ+ δw = du + d E + d E d E Ukoliko je termodinamičkog sistema neokretan i k i δ W el δw sh δ W V de k = 0 de = 0 δ+ δw = du δw = δw + δw + δw i v i sh el 44

13 Prost zatvoren trermodinamički sistem oseban slučaj zatvorenog i neokretnog termodinamičkog sistema, kada od svih radova ostoji samo W V ( δw sh = 0, δw el = 0) integracijom δ+ δw = du + W = U U V v u slučaju da je roces romene stanja ravnotežan δ dv = du δ dv + Vd Vd= du δ+ Vd= du + d( V) V- d u osebnom slučaju ovaj izraz redstavlja tzv. elementarni tehnički rad rad usled romene ritiska integracijom δ+ δ W = dh teh + W = H H teh, W teh - nema fizičko utemeljenje u slučaju zatvorenog termodinamičkog sistema. δw teh, ili 45

Σχετικά έγγραφα

Drugi zakon termodinamike

Drugi zakon termodinamike Uvod Drugi zakon termodinamike nije univerzalni prirodni zakon, ne važi za sve sisteme, naročito ne za neobične sisteme (mikrouslovi, svemirski uslovi). Zasnovan je na zajedničkom