PRINCIPIUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temperatura. Obiectul

Transcript

1 PRINCIPIUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temeratura Obectul Termotehnca sau termodnamca tehncă este dsclna care studază rocesele ce se desfăşoară în maşnle ş nstalaţle termce, rocese în care transferul de energe între corur se face sub formă de căldură ş lucru mecanc. Termodnamca studază roretăţle fzce ale corurlor dn natură generate de mşcarea moleculară nternă, recum ş fenomenele macroscoce care conduc la modfcăr canttatve ale acestor roretăţ. metoda fenomenologcă orneşte de la analza roceselor dn natură ş cercetează fenomenele generale ale sstemelor fzce în condţ de echlbru. Această metodă se utlzează entru studul sstemelor formate dntr-un număr fnt de corur. Termodnamca fenomenologcă are la bază două leg generale (rncle I ş II ale termodnamc) ş foloseşte e scară largă rezultatele cercetărlor exermentale. Ea rezolvă numeroase robleme ractce mortante, dar nu ermte exlcarea natur ntme a fenomenelor studate; metoda statstcă comletează metoda fenomenologcă, luând în consderare oteze asura structur moleculare a corurlor ş asura mecansmulu roceselor la nvel mcroscoc. PRINCIPIUL ZERO. TEMPERATURA Sl.dr.ng.Poescu Francsc

2 PRINCIPIUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temeratura Istorc Termodnamca este o ramura a fzc ş chme, care n sec. XVII - XVIII încerca să se consttue ca dsclna deosebta dn cadrul general al ştnţelor natur, era domnata de concetul de calorc, moştent de la grec antc ş eretuat în Evul Medu, numt în lmbajul de toată zua căldură. Aceasta era magnată ca o substanţă fludă, monderablă, dar uşor enetrantă în corur, în stare de cauzaltate cu toate fenomenele termce dn natură. Noţunea de calorc curndea noţunle, dstncte astăz de energe nternă (entale) ş căldură roru-zsă. PRINCIPIUL ZERO. TEMPERATURA Sl.dr.ng.Poescu Francsc

3 PRINCIPIUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temeratura Aarţa în anul 84 a lucrăr Réflexon sur la ussance motrce de feu sur les machnes rores a déveloer cette ussance (Reflex asura uter motrce a foculu ş a maşnlor caable să dezvolte această utere), conceută de ngnerul mltar Ncolas Léonard Sad Carnot -a adus autorulu renume. N.L.S.Carnot PRINCIPIUL ZERO. TEMPERATURA Sl.dr.ng.Poescu Francsc

4 PRINCIPIUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temeratura Prmele maşn mecance care au uşurat munca omulu au folost ca sursa rmară de energe combustblul, care rn ardere, a elberat energa termcă, care ao era transformată în energe mecancă. Astfel au fost nventate maşnle cu abur (Thomas Newcomen, 705, James Watt 784), care au domnat ână în secolul 0. Bazele teoretce ale acestor alcaţ ractce au fost use, sub forma Prnculu do al termodnamc de aba de câtre savantulu Carnot, reocuat de a elucda întrebarea legată de câtă arte dn căldură se oate transforma în lucru mecanc ş care sunt condţle care fac osblă această transformare. În acest sco, Carnot a conceut un cclu termodnamc deal reversbl, care î oartă numele. PRINCIPIUL ZERO. TEMPERATURA Sl.dr.ng.Poescu Francsc

5 PRINCIPIUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temeratura Echvalenţa dntre căldură ş lucru mecanc, ca forme de energe, adcă Prncul întâ al termodnamc, a fost enunţat de către Robert Julus Mayer (84). El a calculat echvalentul mecanc al căldur, care aroae concomtent a fost verfcat exermental de James Prescott Joule (843-48). Astfel s-a renunţat la învechta noţune de calorcum, s-a conturat ma clar noţunnea de căldură ş s-a regătt defnrea ulteroară a noţun de energe nternă. R..J.Mayer PRINCIPIUL ZERO. TEMPERATURA J.P. Joule Sl.dr.ng.Poescu Francsc

6 PRINCIPIUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temeratura A înceut să se dezvolte o nouă conceţe asura căldur, enunţându-se teora mecancă a căldur. Se atrbue matere un caracter dscret, artculele comonente fnd moleculele ş atom. Caracterul coruscular al matere ş agtaţa haotcă a enttăţlor mcroscoce fusese ntută încă dn secolul XVIII, dar verfcarea rezumţlor s-a făcut doar de către Avogadro ş Brown, care au conceut astfel teora cnetcă a căldur. PRINCIPIUL ZERO. TEMPERATURA Sl.dr.ng.Poescu Francsc

7 PRINCIPIUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temeratura Bazându-se e descoerrle redecesorlor, în 850, Rudolf Julus Emanuel Clausus reformulează rncle unu ş do ş ntroduce noţunea de entroe (865), care va revoluţona termodnamca. Astfel s-au us bazele termodnamc fenomenologce, care ao a fost comletată rn studul exermental ş în arte teoretc al roretăţlor termodnamce ale substanţelor. Tot Clausus concee, în 856, teora termoelectrctăţ. PRINCIPIUL ZERO. TEMPERATURA Sl.dr.ng.Poescu Francsc

8 PRINCIPIUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temeratura Indeendent, Wllam Thomson (Lord Kelvn) ublcă în 85 o teore legată de degradarea energe rn dsare ş roducerea unor fenomene reversble. Savantul este cunoscut ş ca ş creator al scăr termodnamce unversale de temeratură ce- oartă numele. PRINCIPIUL ZERO. TEMPERATURA Sl.dr.ng.Poescu Francsc

9 PRINCIPIUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temeratura Nu se oate însă închea lsta savanţlor care ş-au adus o contrbuţe esenţală la dezvoltarea termodnamc în a doua treme a secolulu 9, fără a-l amnt ş e Wllam John MacQuorn Rankne, un ngner scoţan, care a conceut cclul termodnamc cu vaor ce- oartă numele, rn care se roduce energa mecancă dn energe termcă. Clausus ş-a adus ş el contrbuţa la studul acestu cclu ş a nstalaţe comlexe aferente, centrala termcă cu vaor. PRINCIPIUL ZERO. TEMPERATURA Sl.dr.ng.Poescu Francsc

10 PRINCIPIUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temeratura Tot cam dn aceeaş eroadă datează ş un alt cclu termodnamc remarcabl, ş anume clul motorulu cu ardere exlozvă. Teoretc studat de Beau de Rochas (86), a fost materalzat de către Ncolaus Otto (876). Deş avea nţal regătre de comercant, îmreună cu Eugen Langen înfnţează la Deutz, lângă Köln, fabrca în care îş va concee atentul, motorul Otto în atru tm, cu arndere rn scântee. PRINCIPIUL ZERO. TEMPERATURA Sl.dr.ng.Poescu Francsc

11 PRINCIPIUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temeratura Motorul cu arndere rn comrese a fost dezvoltat în ultm an a secolulu. Ingnerul Rudolf Desel, îndemnat de rofesorul său de la Unverstatea Tehncă dn München Carl Lnde, încearcă să materalzeze cclul cunoscut Carnot. Reuşeşte însă să roducă un alt t de clul, cunoscut ulteror ca ş clul desel (897), ş să-l ntroducă în fabrcaţe curentă la Augsburg ş Nürnberg (MAN). PRINCIPIUL ZERO. TEMPERATURA Sl.dr.ng.Poescu Francsc

12 PRINCIPIUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temeratura Având în vedere că exsta o fundamentare teoretcă evoluată, au fost osble ş alte nvenţ. Turbna cu abur a fost realzată de Gustav Patrk de Laval (889), ar la scurt tm (897) aare ş turbna cu gaze. PRINCIPIUL ZERO. TEMPERATURA Sl.dr.ng.Poescu Francsc

13 PRINCIPIUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temeratura Rchard Moler ( ) va deven cunoscut în secal datortă dagrame entale - entroe entru aă, în baza cărea generaţ întreg de ngner au utut roecta rocesele termodnamce ale maşnlor cu abur. PRINCIPIUL ZERO. TEMPERATURA Sl.dr.ng.Poescu Francsc

14 PRIMUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temeratura Se consderă două ssteme A ş B searate între ele rntr-un erete adabat, dar fecare dntre ele aflându-se în contact cu un al trelea sstem C, rn ntermedul unor ereţ daterm, întregul ansamblu este înconjurat de un erete adabat, ca în fgura. În această fgura între sstemele A ş B nu oate avea loc un transfer de căldură, în tm ce între sstemele A ş C e de o arte, ş B ş C e de altă arte este erms schmbul de căldură. Exerenţa arată că cele două ssteme A ş B vor atnge echlbrul termc cu al trelea sstem C ş că nu va aărea nc o modfcare în contnuare, în starea acestora, char dacă eretele adabat este înlocut cu un erete daterm Două ssteme aflate în echlbru termc cu un al trelea se află în echlbru termc ş între ele. Acest ostulat este numt rncul zero al termodnamc ş a fost enunţat de către J.C.Maxwell în anul 89. Acest rncu a aărut în urma celor două rnc I ş II ale termodnamc. PRINCIPIUL ZERO. TEMPERATURA Sl.dr.ng.Poescu Francsc

15 PRINCIPIUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temeratura Se oate sune că însăş sstemele aflate în aceste stăr osedă o roretate care asgură că ele să fe în echlbru termc unele cu altele. Această roretate se numeşte temeratura. Temeratura unu sstem este roretatea care determnă dacă un sstem se află în echlbru termc cu alte ssteme. Dec temeratura este arametrul de echlbru al energe termce sau otenţalul energe termce. Dar în acelaş tm, temeratura caracterzează gradul de încălzre al unu cor, care este o măsură a energe nterne a sstemulu. Măsurarea temeratur Măsurarea temeratur se face e cale ndrectă, utlzând roretăţ ale unu cor care varază unvoc cu temeratura, cum sunt: dlatarea, varaţa rezstenţe electrce a unu conductor cu temeratura, fenomenul termoelectrc, efectul de radaţe, schmbarea culor unor lacur în funcţe de temeratură, într-un cuvânt fenomene termometrce. unctul de tore a gheţ ş unctul de ferbere a ae la resune atmosfercă normală: t = 0 C t = 00 C la scara Celsus temeratura mnmă a ern ş temeratura corulu uman: t = 0 F t = 00 F la scara Fahrenhet Pentru unctele fxe adotate la scara Celsus coresund valorle t = 3 F ş t = F PRINCIPIUL ZERO. TEMPERATURA Sl.dr.ng.Poescu Francsc

16 PRINCIPIUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temeratura Exstă dec în natură o lmtă nferoară a temeratur care oartă numele de zero absolut. Scara de temeratură a gazulu erfect socottă de la unctul de zero absolut se numeşte scara absolută a gazulu erfect sau scara Kelvn (untatea de măsură a temeratur este în acest caz un grad Kelvn - K). Dn modul de defnre a scăr Kelvn ş a scăr Celsus rezultă că untatea de măsură a celor două scăr este aceeaş; dferenţa dntre cele două scăr constă doar în alegerea orgn scăr. Legătura dntre temeratura exrmată în grade Kelvn e care o vom nota cu T ş temeratura exrmată în grade Celsus t este dată de relaţa: T t 73,5 Pentru măsurarea temeratur se folosesc următoarele aarate: termometre de stclă cu lchd; termometre manometrce; termometre cu rezstenţă electrcă; termoculur; rometre de radaţe. ' " [K] A B 3 4 C D 5 PRINCIPIUL ZERO. TEMPERATURA Sl.dr.ng.Poescu Francsc

17 PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII Energa unu sstem fzc se defneşte ca fnd caactatea acestua de a efectua lucrul mecanc când trece rntr-o transformare dntr-o stare în alta. Prn caactatea unu sstem de a roduce lucru mecanc se înţelege suma echvalenţlor în lucru mecanc a tuturor acţunlor externe, e care le are sstemul fzc în cursul transformăr rn care trece între cele două stăr. Energa totală a unu sstem curnde energa externă ş energa nternă. Energa externă rerezntă energa de nteracţune a unu sstem cu exterorul ş curnde energa cnetcă Ec ş energa otenţală E. Energa nternă U a unu sstem rerezntă artea dn energa totală a sstemulu, care dende exclusv de mărmle de stare nterne ale acestua(temeratura). E E c E U E mw mgh U unde m este masa sstemulu [kg], vteza w ş înălţmea h faţă de un nvel de refernţă. Energa este o mărme de stare extensvă ş utem folos energa mască: e E m w gh u U U U PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII Sl.dr.ng.Poescu Francsc

18 PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII Căldura este energa schmbată de un sstem cu medul exteror în cursul une nteracţun evdenţată rn modfcarea temeratur sstemulu. Pentru o varaţe nfnt mcă, valoarea căldur elementare schmbate este roorţonală cu aceasta: dq dq C m c dt dt unde C este factor de roorţonaltate numt caactate termcă, care rerezntă căldura rmtă sau cedată de cor coresunzător une varaţ de temeratură, fără ca aceasta să-ş schmbe starea de agregare sau faza Lucrul mecanc este energa schmbată de un sstem cu medul exteror în cursul une nteracţun mecance, ca efect al exerctăr unor forţe exteroare. L F x Lucrul mecanc exteror(al transformăr) U > 0 U > 0 U < 0 dl F dx A PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII dx L l dv m Sl.dr.ng.Poescu Francsc

19 PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII Lucrul mecanc de dslocare(de delasare) Lucrul mecanc de dslocare măsoară energa schmbată între medul exteror ş sstemul termodnamc, atunc când între acestea exstă nteracţune rn transfer de masă, adcă sstemul este deschs. m,v x I x II l d V m v m,v d v v v I II Lucrul mecanc tehnc Lucrul mecanc total rodus de sstem nclude atât lucrurle mecance de delasare, cat ş lucrul mecanc al transformăr suferte în maşna termcă ş oartă numele de lucru mecanc tehnc L ( ) t L V V PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII Sl.dr.ng.Poescu Francsc

20 PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII Formulărle rmulu rncu al termodnamc.nu se oate realza o maşnă termcă care să roducă lucrul mecanc fără a consuma o canttate echvalentă de căldură. O astfel de maşnă care ar roduce lucru mecanc contnuu fără să consume căldură în canttate echvalentă a rmt numele de eretuum moble de ordnul I(sau de seţa I)..Peretuum moble de seţa I este mosbl. 3.Căldura se oate transforma în lucru mecanc sau oate f obţnută rn transformarea lucrulu mecanc întotdeauna cu resectarea raortulu de echvalenţă: Kcal = 47 Kgfm 4.Nu se oate realza o maşnă care să roducă energe de o anumtă formă fără a consuma o canttate echvalentă de energe de o altă formă. Acest enunţ afrmă de fat mosbltatea creăr energe. 5.Nu se oate realza o maşnă care să consume energe fără a ceda în exteror o canttate echvalentă de altă formă de energe. Acest enunţ afrmă mosbltatea dstruger sau dsarţe energe. PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII Sl.dr.ng.Poescu Francsc

21 PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII Exemle comune de converse a energe Automobl Centrală / boler Hydroelectrcă Solară Batera Mâncare Fotosnteza Chmcă Mşcare (cnetcă) Chmcă Căldură (termcă) Gravtaţe Electrcă Otcă Electrcă Chmcă Electrcă Chmcă Căldură, Cnetcă Otcă Chmcă PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII Sl.dr.ng.Poescu Francsc

22 Entala PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII Entala este mărmea de stare care caracterzează nvelul energetc al unu sstem termodnamc. Ea se notează cu I sau H ş este defntă rn relaţa: I U V rerezentată rn suma dntre energa nternă U ş lucrul mecanc de delasare V u v di du d V Entala este o mărme de stare extensvă, care are un rol mortant în termodnamcă, deoarece transformărle dn maşnle termce au un caracter contnuu ş de durată, ceea ce necestă o crculaţe contnuă sau ntermtentă a agentulu de lucru rn sstem PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII Sl.dr.ng.Poescu Francsc

23 PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII Exrmarea matematcă entru ssteme închse U U Q L u u q l du dq dl dq dv dq du dl du dv dq di dl t di Vd PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII Sl.dr.ng.Poescu Francsc

24 PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII Exrmarea matematcă entru ssteme deschse Se consderă o maşnă termcă ca sstem deschs, deoarece rn maşnă trece în ermanenţă un flud de lucru h h M.T, V, T w w Q,V,T L t Pentru sstemul termodnamc deschs rncul conservăr energe se scre: E E E s În eroada roceselor suferte de maşna termcă, agentul termc schmbă căldură termcă Q cu medul exteror, ar în cursul evoluţe sale agentul termc efectuează lucru mecanc tehnc Lt. Ca urmare Es va f egal cu E s Q Lt v v m w gh u v w gh u v Q L t PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII Sl.dr.ng.Poescu Francsc

25 PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII Sl.dr.ng.Poescu Francsc PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII h h mg w w m I I L Q t h h g w w l q t Relaţa rerezntă exresa matematca a rnculu I al termodnamc, entru ssteme deschse Formele artculare rocese de curgere cu schmb de căldură w w m q rocese de curgere adabatce 0 w w roces de lucru adabatc l t

26 GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE Legle gazulu erfect Gazele au o mortanţă deosebtă în termotehncă, deoarece marea lor comresbltate ermte transformarea uşoară a energe termce în energe mecancă. Ele se deosebesc unele de altele rn: număr de atom în moleculă; natura nteracţunlor dntre molecule; coefcenţ de dlatare ş de tensune; caactăţ termce masce gazul deal sau gazul erfect se caracterzează rn lsa forţelor de coezune ş rntr-un coefcent de dlatare constant GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

27 GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE Legea Boyle-Marotte. Boyle(66) ş ma târzu Marotte(676) au găst e cale exermentală, că dacă un gaz este suus une comrmăr la temeratură constantă, volumele varază nvers roorţonal resunlor, adcă: v const V V Robert Boyle Flosof, chmst, nventator GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

28 GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE Legea Gay-Lussac. Încălznd dferte gaze la resune constantă, Gay-Lussac(80) a constatat că acestea se dlată cu aceeaş fracţune dn volumul nţal dacă temeratura lor creşte cu aceeaş valoare. Dacă se notează cu V 0 volumul un gaz la temeratura de 0 C, volumul V al gazulu la temeratura t C este V V t 0 0 Gay-Lussac a găst că entru toate gazele valoarea coefcentulu de dlatare volumcă este / 73,5 ţnând cont de acest coefcent ş că volumele V ş V sunt volume coresunzătoare temeraturlor t ş t la resunea dată se obţne următoarea relaţe a leg Gay-Lussac: V V T / / T Chmst s fzcan, e baza exermentelor lu cu amestecur aa-alcool, s astaz, se foloseste untatea ABV (Alcohol by volume) la nvel global GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

29 GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE Legea lu Avogadro. Conform leg lu Avogadro volum egal de gaze dferte, care se află la aceeaş resune ş temeratură, conţn acelaş număr de molecule. Klomolul este canttatea de substanţă a căre masă exrmată în kg este egală cu masa sa moleculară. Dacă se notează cu M masa moleculară a unu gaz, masa a n klomol este m nm Volumul unu klomol la condţ normale este V N.4 [ m 3 / kmol] N M /,4 Amedeo Avogadro: savant talan GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

30 GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE Ecuaţa termcă de stare a gazulu erfect (Claeyron) Clayeron combnând legle Boyle-Marotte ş Gay-Lussac, a stablt o ecuaţe care ermte determnarea stăr unu gaz atunc când varază toţ ce tre arametr, V, T. T v T v v T const Raortul v/t este o constantă fzcă, care dende de natura gazulu ş se notează cu R, rezultând relaţa următoare v R t R T V mr N T N T N T GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

31 GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE Amestecur de gaze erfecte Legea Dalton. Într-un amestec de gaze, care nu reacţonează chmc între ele, fecare comonentă se răsândeşte în întregul saţu e care acesta îl ocuă, ar resunea totală este egală cu suma resunlor arţale ale comonentelor: n am Legea Amagat reczează că volumul total al amesteculu este egal cu suma volumelor arţale ale comonentelor. Prn volum arţal al une comonente V se înţelege volumul e care l-ar ocua o comonentă consderată la resunea totală a amesteculu ş la temeratura acestua T. n V am V GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

32 GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE Partcarea mască a une comonente se numeşte raortul dntre masa comonente resectve ş masa amesteculu Se numeşte artcare volumcă ca raort dntre volumul arţal al une comonente ş volumul total al amesteculu Constanta amesteculu masa molară aarentă a amesteculu Presunea arţală n R am R M am 834 R am denstatea amesteculu în condţ normale, 4 V V am am Energa nternă ş entala unu amestec de gaze căldurle masce ale amesteculu c v u T v am n n N u am u c v c M T am m m V V am am n am n c GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

33 GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE Transformăr smle ale gazulu erfect O transformare smlă se efectuează duă aceeaş lege de la înceut ână la sfârşt. Într-o transformare deschsă starea fnală dferă de cea nţală. În cele ce urmează vor f analzate acele transformăr care rezntă cel ma mare nteres entru studul funcţonăr maşnlor termce ş anume: transformarea zocoră (la volum constant); transformarea zobară (la resune constantă); transformarea zotermă (la temeratura constantă); transformarea adabatcă (fără schmb de căldură dntre agentul termc ş medul exteror); transformarea oltrocă (varază toate mărmle de stare, ar agentul termc schmbă căldură cu medul exteror). GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

34 GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE Transformarea zocoră (la volum constant) Ecuaţa caracterstcă entru v = const, conform leg Charles este T const T T Lucrul mecanc de transformare l vd 0 Lucrul mecanc tehnc l t v Căldura schmbată cu medul exteror q c v dt c v t t t t Varaţa entale u u v GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

35 GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE Transformarea zobară (la resune constantă) Ecuaţa caracterstcă a transformăr entru = const, conform leg Gay-Lussac este: v T v const. T v T Lucrul mecanc de transformare l dv v v Lucrul mecanc tehnc 0 vd l t Căldura schmbată cu medul exteror q c dt c t t t t T T q = l v v v Varaţa energe nterne u u cv T T GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

36 GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE Transformarea zotermă (la temeratură constantă) Ecuaţa caracterstcă a transformăr zotermce, conform leg Boyle-Marotte este v const v v în dagrama -V se rerezntă ca o herbolă echlaterală raortată la asmtotele e Lucrul mecanc de v l v ln v ln transformare v l t l Lucru mecanc tehnc Căldura schmbată cu medul exteror t Varaţa energe nterne ş a entale q l u u 0 0 l l t T T > T q l v l v v v GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

37 GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE Transformarea adabatcă (fără schmb de căldură cu medul exteror) Această transformare se caracterzează rn condţa dq = 0 T k k const Lucrul mecanc de transformare l v k k k Lucrul mecanc tehnc l t k l GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

38 GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE Transformarea oltroă Transformarea smlă cea ma generală, de-a lungul cărea exstă schmb de energe atât sub formă de căldură cât ş sub formă de lucru mecanc cu medul exteror, este denumtă transformare oltrocă n n T v n ln n V ln V const q n c T T Tv n const Exonentul oltroc unde c n n n c v const n n T 0 n T 0 Q 0 n Q 0 n 0 n n Lucrul mecanc de transformare l v n n n GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE. R T n T Lucrul mecanc tehnc l nl t Sl.dr.ng.Poescu Francsc

39 ENTROPIA. PRINCIPIUL AL II-lea AL TERMOTEHNICII Toate rocesele termodnamce reale sunt reversble, întrucât aceste rocese resuun un schmb de energe, sub formă de căldură sau de lucru mecanc, însoţt mereu de rocese de egalzare efecte dsatve. Frecarea făcând arte dn categora efectelor dsatve, este ş ea un roces reversbl. Lucrul mecanc consumat entru învngerea frecăr se transformă în energe nteroară, care însă nu ma oate f retransformată decât în foarte mcă arte în lucru mecanc dq dl f du dv d vd Deoarece rocesele reversble nu sunt afectate de erder energetce, ele servesc dret crteru de comaraţe entru arecerea gradulu de erfecţune a roceselor reale, ndcând osbltăţ teoretce de îmbunătăţre a acestora. ENTROPIA. PRINCIPIUL AL II-lea AL TERMOTEHNICII. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

40 ENTROPIA. PRINCIPIUL AL II-lea AL TERMOTEHNICII ENTROPIA Proretatea roceselor termce de a avea un sens referenţal de dezvoltare se va exrma cu ajutorul une mărm caracterstce, care să reflecte totodată ş starea de echlbru - stabltatea - unu sstem termodnamc. Pentru ssteme zolate această mărme va trebu să abă roretatea de a f varablă într-un sngur sens în cazul roceselor reversble, ndcând rn mărmea varaţe e gradul de reversbltate al rocesulu, resectv abaterea rocesulu de la rocesul reversbl, care constă numa dn stăr de echlbru. Mărmea folostă ca măsură a sensulu referat al transformărlor termce, ca măsură a stabltăţ unu sstem termodnamc oartă denumrea de entroe, fnd ntrodusă în studul termodnamc al roceselor termce de către R.Clausus. Dferenţala entroe este defntă de exresa ds dq T rev du dv T ENTROPIA. PRINCIPIUL AL II-lea AL TERMOTEHNICII. di Vd T [J/K] Rudolf Clausus Sl.dr.ng.Poescu Francsc

41 ENTROPIA. PRINCIPIUL AL II-lea AL TERMOTEHNICII deendenţele s = s(,v) ş s = s(,t) s cv ln v const s c ln T y const Dacă sstemul rmeşte energe sub formă de căldură(q>0), entroa sstemulu creşte, ar dacă se evacuează căldură dn sstem(q<0), entroa scade Tds du dv d dv ENTROPIA. PRINCIPIUL AL II-lea AL TERMOTEHNICII. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

42 ENTROPIA. PRINCIPIUL AL II-lea AL TERMOTEHNICII Formulărle rnculu al II-lea Ca ş rncul I al termodnamc, rncul II a fost stablt exermental, bazele acestua fnd use de către Sad Carnot (84). Prncul II al termodnamc este un rncu caltatv, sre deosebre de rncul I, care evdenţază asectul canttatv al transformărlor energetce.. Exstă o funcţe de stare(care nu este uncă) denumtă entroe, a căre valoare rămâne constantă în rocesele adabatce reversble.. Or de câte or un sstem adabatc sau zolat suferă un roces reversbl, entroa sstemulu creşte nevtabl. 3. Este mosbl de realzat un roces cclc al căru unc rezultat să fe transferul de căldură de la o sursă cu temeratura dată T0 la o sursă cu temeratură ma înaltă T(R.Clausus). 4. Este mosbl să se construască un eretuum moble de seţa II-a, adcă o maşnă care să funcţoneze cclc fnd în legătură cu o sngură sursă de căldură (Max Planck). 5. Nu se oate realza o transformare al căre sngur rezultat fnal îl consttue transformarea în lucru mecanc a căldur cedate de o sursă de temeratură constantă (Thomson). ENTROPIA. PRINCIPIUL AL II-lea AL TERMOTEHNICII. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

43 ENTROPIA. PRINCIPIUL AL II-lea AL TERMOTEHNICII Exerga căldur este rn defnţe lucrul mecanc maxm, care oate f obţnut rn transformarea acestea de la o temeratură ma mare decât a medulu ambant T ână la temeratura medulu ambant T0. Ca lucrul mecanc să fe maxm, transformărle trebue să fe reversble. T Ex L c Q 0 max Q T unde T rerezntă temeratura la care se schmbă căldura Q Ma smlu, EXERGIA este artea de energe care oate f utlzata. Dua ce un sstem s medul care-l nconjoara ajung la echlbru exerga devne 0. Energa nu se dstruce c se transforma (rncul I). Exerga tne cont de reversbltatea unu roces data de cresterea de entroe (rncul II) ar atunc cand ntr-un roces are loc un schmb termc exerga se dstruge, roortonal cu cresterea de entroe. Exega dstrusa se numeste ANERGIE. An T 0 T Q ENTROPIA. PRINCIPIUL AL II-lea AL TERMOTEHNICII. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

44 Cclurle maşnlor termce Cclul termodnamc rerezntă o succesune de transformăr smle, rn arcurgerea cărora agentul de lucru este adus a starea nţală, fără a trec de două or rn aceeaş stare. Cclul termodnamc oate f realzat fe cu ssteme închse (maşna cu ston), fe cu ma multe ssteme deschse, care în ansamblu formează un sstem închs (nstalaţa de turbnă cu gaze). Cclu drect rerezntă cclul realzat rn arcurgerea transformărlor în sens drect (sensul rotaţe acelor de Q ceasornc). Cclul nvers este cclul realzat rn arcurgerea a transformărlor în sens nvers (sens trgonometrc). b L Q V V Randamentul termc teoretc al unu cclu V L L L, Q Q L, Q Q rmt Cclu motor L t Q Cclu generator Q Q cedat rmt Cclurle masnlor termce. CARNOT, OTTO, DIESEL Sl.dr.ng.Poescu Francsc

45 Cclurle maşnlor termce Cclul Carnot Acest cclu a fost conceut în anul 84 de către Mare Francos Sad Carnot ş este format dn două zoterme ş două adabate, fnd un cclu teoretc, care nu a utut f realzat în ractcă, nsă este un cclu termodnamc deal, folost ca cclu comaratv în termotehncă. Cclul rous este reversbl, efectuat de un motor deal care nu are erder, nc frecăr ş lucrează cu un gaz erfect. t Q Q Q 0 Q 0 Q destndere zotermcă la temeratura T cu schmbul de căldură Q > 0; 3 destndere adabatcă ână la temeratura T0; 3 4 comresune zotermcă la temeratura T0 cu cedarea energe termca Q0; 4 comresune adabatcă ână la starea nţală. Cclurle masnlor termce. CARNOT, OTTO, DIESEL Sl.dr.ng.Poescu Francsc

46 Cclurle maşnlor termce Vzualzarea cclulu Carnot Web: htt:// Cclurle masnlor termce. CARNOT, OTTO, DIESEL Sl.dr.ng.Poescu Francsc

47 Cclurle maşnlor termce Cclul OTTO (ardere la volum constant) Nkolaus August Otto (4 une 83 8 anuare 89) a fost nventatorul german al motorulu cu ardere nternă, rmul la care arderea combustblulu se realza într-un clndru cu ston. În 87, Gottleb Damler ş Wlhelm Maybach s-au alăturat lu Otto ş, îmreună, au dezvoltat deea unu cclu în 4 tm, descrs rma oară de N.A. Otto în 876. Patentul obţnut atunc de Otto a fost nvaldat în 886 când s-a descoert că cclul a fost deja descoert de un alt nventator, Alhonse Beau de Rochas, rncle cclulu în atru tm fnd descrse de acesta, anteror anulu 876, într-o revstă Idealzarea transformărlor comlexe ce au loc în motor, conduce la obţnerea unu cclu care va rerezenta lmta către care tnd transformărle reale. Studul acestu cclu va recza gradul de transformare a căldur dsonble în lucru mecanc, în condţ deale, fnd utlzat ca model de comaraţe entru motorul real Cclurle masnlor termce. CARNOT, OTTO, DIESEL Sl.dr.ng.Poescu Francsc

48 Cclurle maşnlor termce Iotezele smlfcatoare sunt: agentul de lucru este consderat gaz erfect cu masa constantă e întreg cclul; transformărle sunt reversble; comresunea ş destnderea sunt consderate adabate; arderea ş evacuarea sunt consderate transformăr zocore cu rmre, resectv cedare de căldură. Cclul este determnat dacă se cunoaşte starea nţală ş următoarele caracterstc V V 3 V a V V a s - gradul de comresune raortul de creştere a resun rn încălzre V a [ m 3 ] volumul camere de ardere V s [ m 3 ] volumul clndree Vzualzarea cclulu OTTO: htt:// Cclurle masnlor termce. CARNOT, OTTO, DIESEL Sl.dr.ng.Poescu Francsc

49 Cclurle maşnlor termce Cclurle masnlor termce. CARNOT, OTTO, DIESEL Sl.dr.ng.Poescu Francsc

50 Cclurle maşnlor termce Cclurle masnlor termce. CARNOT, OTTO, DIESEL Sl.dr.ng.Poescu Francsc k k V V T T k k V V dn adabata T T dn zocora k V V T T k V V adabata T T dn zocora 4-

51 Cclurle maşnlor termce 3 L L L3 L34 L4 [ J ] ( k ) k L n L n P [ W ] sau P [ W ] este numărul de clndr n [mn-] este turaţa motorulu entru motorul n tm t T k T Puterea motorulu oate f mărtă rn creşterea lu ε. Ceea ce lmtează această creştere este aarţa fenomenulu de detonaţe, un fenomen de ardere nstantanee, ce aare către sfârştul rocesulu de ardere, duă ce o arte dn combustbl a ars în mod normal. În cazul arder detonante, însoţtă de o creştere locală a resun, randamentul ş uterea motorulu scad smţtor, datortă solctărlor bruşte ale eselor motorulu, atât mecanc cât ş termc. Cclurle masnlor termce. CARNOT, OTTO, DIESEL Sl.dr.ng.Poescu Francsc

52 Cclurle maşnlor termce Cclul Desel (ardere la resune constantă) În ule 878, tânărul de 9 an, Rudolf Desel assta la cursul de termotehncă al reutatulu rofesor Carl von Lnde. Von Lnde vorbea desre randamentul maşnlor cu abur, sublnnd fatul că acestea nu deăşesc un randament de 0%, ractc că 90 % dn căldura rodusă rn arderea cărbunelu este rstă. Tânărul Desel a notat atunc, e margnea caetulu de notţe, Studază osbltatea dezvoltăr rn zotermă. Aceste cuvnte sunt sămânţa care a germnat într-una dntre cele ma mortante nvenţ: motorul desel. Faţă de motorul cu ardere la volum constant, motorul cu ardere la resune constantă rezntă câteva deosebr: -motorul nu are nstalaţe de arndere, fecare clndru este revăzut cu njector roru; -Combustblul ş aerul necesar arder se ntroduc în faze dferte în clndru; -Arderea este nţată de autoarndea combustblulu, rovocată de temeratura rdcată realzată rn comrmarea aerulu; Gradul de comrese are valor mar, necesar entru realzarea une temeratur mar Cclurle masnlor termce. CARNOT, OTTO, DIESEL Sl.dr.ng.Poescu Francsc

53 Cclurle maşnlor termce Cclul teoretc este rerezentat n dagramele -V ş T-s ş curnde următoarele transformăr: - - comresune adabatcă a aerulu; -3 - njecţa ş arderea combustblulu; destnderea adabatcă a gazelor arse; 4- - evacuarea gazelor arse. V V a V a grad de njecţe Injecţa ş ardere se roduc în tm ce stonul generează volumul V (de njecţe) Cclurle masnlor termce. CARNOT, OTTO, DIESEL Sl.dr.ng.Poescu Francsc

54 Cclurle maşnlor termce Cclurle masnlor termce. CARNOT, OTTO, DIESEL Sl.dr.ng.Poescu Francsc ] [ ) ( ) ( J T T c m T T c m Q Q L v ] [ 30 W n L P ) ( k k t k

55 Cclurle maşnlor termce Cclul Joule teoretc Cclul Joule este un cclu referenţal alcătut dn transformăr adabate ş zobare ce se realzează cu gaze reale în domenul în care acestea nu se găsesc în aroerea curbe de lchefere Cclul Joule deschs (stânga) ş închs (dreata) În ambele cazur nstalaţa este alcătută dntr-un comresor C, o turbnă T, un încălztor S ş eventual un răctor S. Transformărle dn comresor ş turbnă sunt consderate adabatce. Lucrul mecanc obţnut este utlzat atât entru a se antrena generatorul electrc G cât ş entru antrenarea comresorulu C. Cclurle masnlor termce. JOULE, STIRLING-ERICSSON, KLAUSIUS-RANKINE Sl.dr.ng.Poescu Francsc

56 Cclurle maşnlor termce Cclurle masnlor termce. JOULE, STIRLING-ERICSSON, KLAUSIUS-RANKINE Sl.dr.ng.Poescu Francsc k k th 0 Randamentul cclulu teoretc Joule dende numa de raortul de resun π, tot aşa cum randamentul cclulu Carnot dende numa de temeratur. Cu cât raortul de resun π este ma mare cu atât randamentul cclulu Joule este ma mare În cazul cclurlor reale dn maşnle termce transformărle ş 3 4 sunt transformăr reversble cu creştere de entroe. În acest caz randamentul cclulu Joule dende ş de raortul T3/T ş de randamentele ηt (randament ntern al turbne) ş ηc (randamentul ntern al comresorulu) 3 3 k k C k k C k k T tr T T T T

57 Cclurle maşnlor termce Cclul Strlng-Ercsson Cclul Strlng constă dn două transformăr zocore ş două zoterme Este recomandat ca recuerator de căldură, e o gamă largă de ntervale Se ot folos ca ş flude de lucru dferte gaze, înceând cu aer, metan, helu, hdrogen, etc Cclurle masnlor termce. JOULE, STIRLING-ERICSSON, KLAUSIUS-RANKINE Sl.dr.ng.Poescu Francsc

58 Cclurle maşnlor termce Cclul Klausus-Rankne Este cclul centralelor termoelectrce clasce e combustbl fosl recum ş a centralelor nuclearoelectrce. Centralele termce sunt echate cu nstalaţ termce cu vaor de aă (abur). În cazan aa se încălzeşte în condţ de resune constantă, de la temeratura de almentare t ână la temeratura de ferbere (saturaţe) t. tot în cazan are loc ş vaorzarea ae, roces ce se roduce la resune ş temeratură constantă La eşrea dn cazan se obţn vaor saturaţ uscaţ. Cu această stare vaor întră în suraîncălztor unde, sub resune constantă, temeratura acestora creşte. Aburul suraîncălzt ntră în turbnă unde energa otenţală se transformă în lucru mecanc necesar antrenăr generatorulu electrc. Dua destnderea n turbna cu condensaţe aburul ntră în condensator unde se condensează, fnd răct cu ajutorul ae rec care crculă rn ţevle condensatorulu. Procesul de condensare fnd nvers rocesulu de vaorzare se desfăşoară tot la resune ş temeratură constantă. Condensatul este reluat de oma de almentare care îl comrmă de la resunea dn condensator ână la resunea dn cazan ş îl rentroduce în crcut. Cclurle masnlor termce. JOULE, STIRLING-ERICSSON, KLAUSIUS-RANKINE Sl.dr.ng.Poescu Francsc

59 Cclurle maşnlor termce Cclurle masnlor termce. JOULE, STIRLING-ERICSSON, KLAUSIUS-RANKINE Sl.dr.ng.Poescu Francsc

60 Cclurle maşnlor termce Cclurle masnlor termce. JOULE, STIRLING-ERICSSON, KLAUSIUS-RANKINE Sl.dr.ng.Poescu Francsc ] / [ ) ( ) ( kg J l l l t t ] / [ 3 kg J q q ] / [ 3 0 kg J q q - în cazanul de abur - în condensator 3 q l t Randamentul termc

61 Cclurle maşnlor termce Cclurle masnlor termce. JOULE, STIRLING-ERICSSON, KLAUSIUS-RANKINE Sl.dr.ng.Poescu Francsc Mărrea randamentulu rn suraîncălzre ntermedară un cclu Clausu-Rankne cu suraîncălzre ntermedară unde lna rerezntă destnderea nţală a aburulu, 3 suraîncălzrea ntermedară ş 3 4 destnderea ână la resunea dn condensator. În acest caz căldura medulu de lucru creşte cu căldura necesară surancălzr ntermedare 3 3 q ) ( ) ( ) ( ) ( t

62 Cclurle maşnlor termce Mărrea randamentulu rn termofcare Cele ma mar econom de combustbl se ot obţne dacă în centrala termoelectrcă se obţnne concomtent atât energe electrcă cât s energe termcă cu scoul încălzr locuţelor, saţlor ndustale sau în scour tehnologce. Centralele care roduc concomtent atât energe electrcă cât ş termcă se numesc centrale electrce de termofcare CET. Recent, termenul de termofcare tnde să fe înlocu cu noţunea de cogenerare. Randamentul termc teoretc este de 00% dar cel real ajunge la %, datortă erderlor e conductele ce leagă consumator de centrală Cclurle masnlor termce. JOULE, STIRLING-ERICSSON, KLAUSIUS-RANKINE Sl.dr.ng.Poescu Francsc

63 Cclurle maşnlor termce. Turn de răcre. Poma crcutulu de răcre al condensatorulu 3. Lne electrcă de înaltă tensune 4. Transformator rdcător de tensune 5. Generator electrc de curent alternatv 6. Turbnă cu abur de joasă resune 7. Pomă de joasă resune 8. Condensator 9. Turbnă cu abur de mede resune 0. Ventle de reglare ale turbne. Turbnă cu abur de înaltă resune. Degazor 3. Preîncălztor de joasă resune (PJP) 4. Bandă de almentare cu cărbune 5. Buncăr de cărbune, eventual cu turn de uscare 6. Moară de cărbune 7. Tamburul cazanulu 8. Evacuarea cenuş 9. Suraîncălztor 0. Ventlator de aer. Suraîncălztor ntermedar. Prza de aer necesar arder 3. Economzor 4. Preîncălztor de aer 5. Electrofltru entru cenuşă 6. Exhaustor 7. Coş de fum Cclurle masnlor termce. JOULE, STIRLING-ERICSSON, KLAUSIUS-RANKINE Sl.dr.ng.Poescu Francsc

64 TRANSMITEREA CĂLDURII Conducţa termcă rerezntă rocesul schmbulu de energe sub formă de căldură care se roduce rn contactul drect între artculele une substanţe. Convecţa termcă se numeşte modul de transmtere a căldur între un erete ş un flud care sală eretele resectv. Radaţa termcă este rocesul de roagare a energe sub formă de unde electromagnetce. Aceste tre fenomene elementare de transmtere a căldur se întâlnesc în nstalaţle tehnce foarte rar searat, de cele ma multe or aar îmreună. Dn studul rnculu al dolea al termodnamc se şte că transmterea căldur este un fenomen reversbl, având ca urmare o creştere a entroe ş resectv o transformare de exerge în anerge. Transmterea caldur. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

65 TRANSMITEREA CĂLDURII Transmterea caldur. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

66 TRANSMITEREA CĂLDURII CONDUCŢIA TERMICĂ Căldura transmsă rn conducţe este rocesul de roagare a căldur rn nterorul unu cor, sau între corur dferte care se găsesc în contact erfect, rn schmb de energe de la artculă la artculă. t t( x, y, z, ) Fenomenul conducţe termce a fost studat de către Fourer, stablnd că energa transmsă rn conducţa termcă este roorţonală cu căderea de temeratură, cu ara secţun normale e drecţa de roagare a căldur A, cu tmul cît durează rocesul de transmtere a căldur ş cu un coefcent de roorţonaltate λ, care caracterzează roretatea corulu de a conduce căldură, numt conductvtatea termcă Q grad t A Transmterea caldur. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

67 TRANSMITEREA CĂLDURII Transmterea căldur rn conducţe, în regm staţonar, rn ereţ lan Se consderă un erete lan omogen, de grosme δ, ce are conductvtatea termcă λ, în fgura este rerezentată o secţune e feţele eretelu, lasată într-un sstem de axe. Presuunând că t > t, unde t este temeratura feţe, resectv t, temeratura feţe, atunc rn erete se va transmte căldură rn convecţe. Temeratura varază numa în drecţa x q Q Q A dt dx A t t t t Fluxul de caldura Denstatea fluxulu de caldura Transmterea caldur. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

68 TRANSMITEREA CĂLDURII Transmterea caldur. Sl.dr.ng.Poescu Francsc În ractcă se ma întâlnesc multe cazur când eretele lan este format dn ma multe stratur dn materale dferte. În fgura este rerezentată secţune eretelu de acest fel, cu grosmle straturlor δ, δ, δ3 ş conductvtăţle termce λ, λ, λ3 t t q 3 t t q t t q q t t n t n t q

69 TRANSMITEREA CĂLDURII Transmterea căldur rn conducţe, în regm staţonar, rn ereţ clndrc În fgura este rerezentată o conductă de secţune crculară cu raza nteroară r ş raza exteroră re, confecţonată dntr-un materal omogen cu conductvtatea λ, care este contantă. Surafaţa nteroară are temeratura t, ar cea exteroară t, care sunt constante în tm. La acest t de transmtere a căldur surafeţele termce sunt surafeţe clndrce concentrce. Dacă t > t atunc rn erete trece un flux de căldură staţonar în drecţe radală, entru care căderea de temeratură este maxmă. Q A dt r l dr r l Q l d e ln d t t Transmterea caldur. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

70 TRANSMITEREA CĂLDURII Transmterea caldur. Sl.dr.ng.Poescu Francsc ln d d t t q 3 3 ln d d t t q ln d d t t q n n d d t t q ln

71 TRANSMITEREA CĂLDURII CONVECŢIA TERMICĂ Transmterea căldur rn convecţe este un roces deosebt de comlex care dende de următor factor: de natura mşcăr fludulu, de regmul de curgere, de roretăţle fzce ale fludulu, de forma ş dmensunle surafeţe de contact. Natura mşcăr fludulu. Regmul de curgere a fludulu lamnar sau turbulent are o mortanţă deosebtă asura rocesulu de convecţe. În cazul regmulu lamnar, transmterea căldur în masa de flud are loc rn conducţe. Iar în cazul regmulu de curgere turbulentă, căldura se transmte rn amestecare în zona turbulentă a curentulu ş rn conducţe în stratul lmtă, adcă stratul de flud dn medata aroere a eretelu. Proretăţle fzce ale fludulu sunt : conductvtatea termcă λ ; căldura secfcă c ; denstatea ρ ; vscoztatea dnamcă η sau cnetcă ν. αc este coefcentul de convecţe termcă Q c A t f t A este ara surafeţe de contact dntre flud ş corul sold tf rerezntă temeratura fludulu într-o regune deărtată de surafaţa de contact t este temeratura eretelu corulu sold Transmterea caldur. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

72 TRANSMITEREA CĂLDURII RADIAŢIA TERMICĂ Fenomenul radaţe termcă se deosebeşte de conducţa ş convecţa termcă, rn aceea că este însoţt de un dublu roces de transformare a energe: energa termcă a unu cor se transformă în energe de radaţe, care se roagă cu ajutorul undelor electromagnetce ş se retransformă arţal în energe termcă la întîlnrea unu alt cor. I f, T λ este lungmea de undă Sectrul vzbl este ntre 380 s 700 [nm] Transmterea caldur. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

73 MASINI TERMICE MOTOARE CU ARDERE INTERNĂ Dferenţa între motoarele cu ardere externă (maşn ş turbne cu abur ş gaze) ş motoarele cu ardere nternă constă în fatul că la rmele arderea combustblulu ş degajarea de căldură are loc în afara motorulu termc ar la motoarele cu ardere nternă în nterorul maşn. Clasfcarea Motoarelor cu ardere nternă Clasfcarea motoarelor duă rocesul de ardere motoare cu ardere la volum constant al căror cclu este denumt ş cclu Otto, sau Beau de Rochas; motoare cu ardere la resune constantă cclul teoretc fnd cclul Desel, el referndu-se la motoarele desel lente; motoarele cu ardere mxtă. Cclul de refernţă cu ntroducerea căldur la volum ş resune constante, oartă denumrea de cclu Sabathé, Trnkler sau Selnger, ş se referă la motoarele desel rade. Clasfcarea motoarelor duă rocesul de arndere a amesteculu carburant motorul cu arndere rn scântee. Arnderea combustblulu uşor volatl (benznă) se face de la o sursă exteroară, în mod rovocat, cu ajutorul une scânte electrce sau a a unu fr ncandescent; motorul cu arndere rn comrmare. Arnderea este rovocată de temeratura rdcată a amesteculu dn clndru, rezultată rn comrmare MASINI TERMICE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

74 MASINI TERMICE Clasfcarea motoarelor duă rocesul cclc Motoarele în atru tm. La acestea durata cclulu motor coresunde la atru curse smle ale stonulu. În tmul întâ, admsa, stonul se mşcă dnsre ms sre m creând o deresune care duce la asraţa de amestec combustbl în clndru, ozţa dn fg... Al dolea tm, comrmarea, are loc în urma mşcăr stonulu de la m sre ms având loc comrmarea amesteculu combustbl sau a aerulu ozţa în fg.... La sfârştul comrmăr, la motoarele cu rndere rn scântee (m.a.s.) către sfârştul curse de comrmare are loc scântea la buje, recedată de admsa de amestec combustbl, ar la motoarele cu arndere rn comrmare (m.a.c.) are loc njecţa de combustbl. Pozţa în fg.. Al trelea tm, arderea ş destnderea, ozţa 3 în fg.., uncul roducător de lucru mecanc este când stonul se întoarce de la ms sre m, sre sfârştul curse se deschde suaa de evacuare. Al atrulea tm, evacuarea, coresunde delasăr stonulu de la m sre ms, gazele de ardere fnd astfel evacuate, ozţa 4 în fg... MASINI TERMICE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

75 MASINI TERMICE htt:// MASINI TERMICE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

76 MASINI TERMICE Motoarele în do tm. La motoarele în do tm întreg cclul motor se realzează e durata a două curse smle ale stonulu, adcă o rotaţe comletă a arborelu cott. La motoarele în do tm s-au ăstrat tm rncal de comrmare ş destndere, comun tuturor motoarelor cu ardere nternă, lsnd tm de asraţe ş evacuare, ca tm ndeendenţ. Aceste două rocese, de asraţe ş evacuare sunt înlocute, rn faze de scurtă durată, la sfârştul curse de destndere ş înceutul curse de comrmare, realzate rn dferte ssteme constructve. MASINI TERMICE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

77 MASINI TERMICE Clasfcarea motoarelor duă orentarea în saţu a clndrlor motorul vertcal care are unul sau ma multe rândur de vertcale de clndr, deasura arborelu motor; motorul orzontal, care are unul sau ma multe rândur orzontale de clndr e o sngura arte a arborelu motor; motorul în lne cu un sngur rând de clndr cu axe aralele stuaţ în acelaş lan, vertcal, înclnat sau orzontal; motorul în V care are două rândur de clndr cu axele stuate în două lanur care formează între ele un ungh (în general 45º sau 90º) motorul în W cu axele clndrlor dsuse în tre lane care formează între ele unghur egale; motorul cu clndr ouş, numt boxer ş care are axele clndrlor stuate în două lane orzontale care formează între ele 80º. MASINI TERMICE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

78 MASINI TERMICE Parametr rncal Lucrul mecanc. Puterea ş momentul motor S 4 L L V s Lucrul mecanc ndcat (L) coresunzător unu cclu motor entru un clndru se obţne dn dagrama ndcată V entru care admsunea ş evacuarea sunt zobarce, ar comrmarea ş destnderea oltroce. Deoarece lucrul mecanc de omaj este negatv (bucla mcă) se atrbue erderlor mecance ş se nclude în randamentul mecanc; lucrul mecanc ndcat (L) este rerezentat de bucla mare, oztvă, a dagrame ndcate. Presunea mede ndcată () este resunea constantă cu care se obţne un lucru mecanc (L) entru o cursă (S) a stonulu MASINI TERMICE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

79 MASINI TERMICE Puterea ndcată (P) L c s V s 0n 60 [kw] Lucru mecanc efectv (Le) rerezntă lucrul mecanc cedat consumatorulu ş se obţne scăzînd dn lucrul mecanc ndcat (L) lucrul mecanc consumat de motor entru învngerea rezstenţelor ror (Lr) (frecăr, entrenerea sstemelor auxlare). L e L L r Presunea mede efectvă (e) Momentul motor ndcat n 30 s M e L V e s P 9550 P n N / m Nm vteza unghulară a arborelu cott Momentul motor efectv (Me) este momentul coresunzător uter efectve ş acţonează la culajul de legătură a motorulu cu consumatorul. M e 9550 n P e Nm MASINI TERMICE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

80 MASINI TERMICE Randamentul ndcat (η) caracterzează gradul de utlzare a căldur în clndrul motorulu C L c H H uterea calorfcă nferoară a combustblulu Cc canttatea de combustbl ntrodus e cclu ş clndru Randamentul mecanc rezstenţelor ror (ηm) este un crteru de arecere a erderlor entru învngerea m L L e L L r P P e e Randamentul efectv (ηe) e C L c e H L L e C L c H m Consumul secfc ndcat de combustbl (c) rerezntă canttatea de combustbl consumată entru a roduce o utere de ( kw, CP) tm de o oră Ch C 0 3 g / kwh P C 0 H g/kwh MASINI TERMICE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

81 MASINI TERMICE Maşn frgorfce Instalaţle frgorfce, duă rncul de funcţonare, se deosebesc : maşn frgorfce cu comresune mecancă, la care agentul frgorfc absoarbe căldură la o temeratură ma mcă decât a medulu ambant ş consumând lucru mecanc cedează căldură la o temeratura medulu ambant. maşn frgorfce cu absorbţe, la care transortul căldur se realzează nu rn consum de lucru mecanc, c rn consum de căldură. Schema nstalaţe frgorfce cu comresune mecancă monoetajată. V vaorzator; C comresor; K condensator; SR subrăctor; VR ventl de reglare; SL searator de lchd În vaorzator agentul frgorfc, care este în stare lchdă, se vaorzează la o temeratură scăzută ( C), căldura de vaorzare fnd absorbtă de cuva frgderulu în care este montat vaorzatorul. În condensator, agentul frgorfc aflat în stare de vaor se condensează la temeratura de saturaţe coresunzătoare resun vaorlor, ma mare decât a medulu ambant( c). În tmul acestu roces, agentul frgorfc cedează căldură medulu ambant. MASINI TERMICE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

82 MASINI TERMICE Schema nstalaţe frgorfce cu comresune mecancă betajată. V, V vaorzator de joasă, resectv înaltă resune; C, C comresor de joasă, resectv înaltă resune; VR, VR ventle de reglare; R recent ntermedar; K condensator MASINI TERMICE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

83 MASINI TERMICE MASINI TERMICE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc Cclul teoretc al maşn frgorfce cu comresune mecancă monoetajală - comresune adabatcă a vaorlor saturaţ uscaţ; - `` răcrea la k=ct. a vaorlor suraîncălzţ `` - ` condensarea la k=ct., Tk=ct. a vaorlor saturaţ uscaţ ` - 3 subracrea la k=ct. a lchdulu frgorfc 3-4 ştrangularea la =ct. a agentulu frgorfc lchd 4 - vaorzarea la 0=ct. ş T0=ct c l Lucru mecanc teoretc consumat în comresor Efcenţa termcă 3 4 c 0 f l q Debtul masc de agent frgorfc Q q Q m 0 Q rerezntă fluxul de căldură extras la vaorzator (utere de răcre) Fluxul de căldură evacuat în condensator K K m q m Q Fluxul de căldură evacuat în subrăctor 3 u u m q m Q

84 MASINI TERMICE Maşna frgorfcă cu absorbţe A absorbtor; F ferbător; K condensator; V vaorzator; P omă; VR, VR ventle de reglare Faţă de nstalaţa frgorfcă cu comresunea mecancă, nstalaţa frgorfcă cu absorbţe are efcenţa reală de or ma mcă. MASINI TERMICE. Sl.dr.ng.Poescu Francsc

85 CALCULUL ARDERII COMBUSTIBILILOR CALCULUL ARDERII COMBUSTIBILILOR Procedeele utlzate entru obţnerea căldur se bazează în general e transformarea energe chmce a combustbllor în cadrul roceselor de ardere. Studul termodnamc al arder resuune arecerea osbltăţ de desfăşurare a roceselor de ardere e baza energe reactanţlor ş stablrea roduselor fnale, fără a se realza o analză a cnetc arder, rn urmărrea mecansmulu reacţe chmce, a fazelor care o comun ş a vteze de desfăşurare a acestea. În funcţe de starea de agregare, combustbl se clasfcă în tre grue mar: solz, lchz ş gazoş În esenţă un combustbl se comune dn masa combustblă, formată dn comonentele actve care artcă la rocesul de ardere ş balastul, rerezentat dn comuş care nu au arte la acest roces. La general, elementele chmce dn care este format un combustbl sold sau lchd sunt carbonul (c), hdrogenul (h), sulful (s), azotul (n), oxgenul (o), umdtatea (w) ş cenuşa (a). Suma acestor artcaţ trebue să îndelnească condţa de normare astfel: c h s n o w a ARDEREA Sl.dr.ng.Poescu Francsc

86 CALCULUL ARDERII COMBUSTIBILILOR Puterea calorcă a unu combustbl, notată cu H, rerezntă căldura degajată rn arderea erfectă a untăţ de canttate de combustbl, raortată la o temeratură de refernţă. Pentru combustbl lchz ş solz, uterea calorcă se exrmă în kj/kg, ar entru combustbl gazoş, în kj/m3 În funcţe de starea de agregare, în care se evacuează aa rodusă rn ardere, se defnesc: -uterea calorcă sueroară (H s ), în care caz aa este evacuată în stare lchdă; -uterea calorcă nferoară (H ), în care caz aa este evacuată în stare de vaor. Relaţa dntre cele două uter calorce este : H H s r( 9h w ) [kj/kg] unde 9h + w rerezntă canttatea de aă rezultată rn oxdarea hdrogenulu, lus umdtatea de combustbl; ar r rerezntă căldura de vaorzare -entru combustbl solz ş lchz H c 00h o s 50 w [kj/kg] ARDEREA Sl.dr.ng.Poescu Francsc