TEHNIČKA TERMODINAMIKA

Transcript

1 UVOD TEHNIČKA TERMODINAMIKA dr. sc. Dražen Horvat, dipl.ing. Zagreb, ožujak TERMODINAMIKA = znanost o energiji ENERGIJA = sposobnost da se izvrši rad ili mogućnost da se uzrokuju promjene PRINCIP OČUVANJA ENERGIJE = za vrijeme neke interakcije energija može prijeći iz jednog oblika u drugi oblik, ali ukupna količina energije ostaje konstantna UVOD UVOD TERMODINAMIKA = proučava pretvorbu energije iz jednog oblika u drugi oblik Budući da se koriste različita svojstva supstancije, tako i promjene tih svojstava nastaju kao rezultat transformacije energije Izraz termodinamika prvi put spominje lord Kelvin, godine KLASIČNA TERMODINAMIKA = makroskopski pristup proučavanju termodinamike koji ne zahtijeva poznavanje ponašanja zasebnih čestica STATISTIČKA TERMODINAMIKA = temelji se na ponašanju velike grupe zasebnih čestica (mikroskopski pristup)

2 Neka fizikalna veličina može se okarakterizirati kao dimenzija Jedinice = dogovorno uspostavljene veličine koje se pripisuju dimenziji Primarne dimenzije = temeljne dimenzije: masa (m), dužina (l), vrijeme (t) i temperatura (T) Sekundarne dimenzije = izražene su pomoću primarnih: brzina (V), energija (E) i volumen (V) Sustavi mjernih jedinica: SI metrički sustav (Le Systeme International d Unites) Engleski sustav - USCS (The United States Customary System) SI SUSTAV: Masa - kilogram (kg) Dužina - metar (m) Vrijeme - sekunda (s) ENGLESKI SUSTAV: Masa - funta (pound = mass) (lbm) Dužina - stopa (foot) (ft) Vrijeme - sekunda (s ili sec)

3 1 lbm = 0,45359 kg 1 ft = 0,3048 m Sila = (masa) x (akceleracija) F = m x a SI sustav: newton (N) Engleski sustav: pound force (lbf) 1 N = 1 kg m/s 2 1 lbf = 32,174 lbm x ft/s 2 Izraz težina često se krivo rabi da bi se izrazila masa Za razliku od mase, težina (W) = snaga W = m g Termodinamički sustavi specifična težina (w) = težina jediničnog volumena neke supstancije w = ρ x g ρ = gustoća Rad (w) = oblik energije Rad = sila x udaljenost Joule (J) 1 J = 1 N m Termodinamički sustav = količina tvari ili područje koje smo odabrali za proučavanje Okolina sustava = područje koje se nalazi izvan sustava Granica sustava = stvarna ili zamišljena površina koja razdvaja sustav od njegove okoline (pomična ili nepomična)

4 Termodinamički sustavi Termodinamički sustavi Zatvoreni sustav = sastoji se od stalne količine mase, koja ne može prijeći granicu (Energija u obliku topline ili rada može proći granicu, te volumen zatvorenog sustava ne mora biti stalan) Izolirani sustav = posebni slučaj, gdje niti energija ne može proći granicu Otvoreni sustav = volumen je pod kontrolom, često zovemo pomno izabrano područje koje zatvara uređaj kod kojeg je moguć protok mase (kompresori, turbine...) I masa i energija mogu proći granicu, ali je volumen strogo kontroliran Veličine stanja Veličine stanja Neko trenutačno stanje termodinamičkog sustava ili njegovo toplinsko stanje definirano je makroskopskim fizikalnim parametrima veličinama stanja. Broj veličina potrebnih da bi se opisalo stanje nekog sustava dano je postulatom stanja: Stanje jednostavnog stlačivog sustava u potpunosti je određeno s pomoću dvije nezavisne veličine. Sustav se naziva jednostavnim stlačivim sustavom ukoliko na njega ne djeluje električno, magnetsko, gravitacijsko polje, te nema gibanja ili površinske napetosti.

5 Veličine stanja Tlak 1. Tlak 2. Temperatura 3. Unutrašnja energija sustava Tlak je sila po jedinici površine. Izražava se u pascalima (Pa) 1 Pa = 1 N/m 2 4. Specifični volumen i gustoća 5. Entalpija Tlak Tlak Ostale dvije jedinice uobičajene u praksi: bar i standardna atmosfera 1 bar = 10 5 Pa = 0,1 MPa = 100 kpa 1 atm = 101,325 Pa = 1,01325 bar U Engleskom sustavu jedinica za tlak je pound-force per square inch (lbf/in 2 ili psi) 1 atm = psi Na površini zemlje imamo atmosferski tlak (p 0 ), tj. barometarski tlak (mjeri se barometrom) p 0 = 101,325 kpa Područje tlaka ispod atmosferskog sve do p=0, jest podtlak (p v )

6 Tlak Temperatura Apsolutni tlak se računa izrazom: p=p 0 p v ili p=p 0 + p man Tlakove iznad atmosferskog zovemo manometarskim tlakom (p man ) ili predtlakom Vakuum je (p v / p 0 ) x 100 (%) Temperatura je potencijal termičkog djelovanja. Postoje svojstva nekih materijala da se mijenjaju s promjenom temperature na ponovljiv i predvidljiv način (npr. živa). Temperatura Temperatura Uobičajeno je da ukoliko su dva tijela različitih temperatura u međusobnom kontaktu, toplina će prelaziti s tijela više temperature na tijelo niže, dok oba tijela ne postignu istu temperaturu, tj. dok ne postignu toplinsku ravnotežu. Nulti zakon termodinamike kaže da ako su dva tijela u toplinskoj ravnoteži sa trećim tijelom, tada su ona i međusobno u toplinskoj ravnoteži. Taj zakon služi kao temelj valjanosti temperaturnih mjerenja.

7 Temperatura Temperatura Temperaturne skale: Celzijusova Fahrenheitova Apsolutna temperaturna skala (Kelvinova) Rankinova Međusobni odnosi su sljedeći: T(R) = T( F) + 459,67 T(R) = 1,8 T (K) T( F) = 1,87 ( C) + 32 T = t + 273,15 T = 5/9 (t F) -32 Unutrašnja energija sustava Specifični volumen i gustoća U (J) Sastoji se iz sume kinetičke i potencijalne energije atoma i molekula, te je i sama veličina stanja. Ovisna je od mase, pa se izražava kao specifična unutrašnja energija u (J/kg) Specifični volumen je volumen neke supstancije podijeljen s njenom masom. v = V/m (m 3 /kg) Gustoća (ρ) je svojstvo vezano uz specifični volumen. v x ρ = 1 ρ = 1/v kg/m 3

8 Entalpija Entalpija Termodinamičko svojstvo Isključivo funkcija stanja sustava H = U + PV specifična entalpija: h (J/kg) h = u + pv Prijelaz topline pri konstantnom tlaku u poluravnotežnom sustavu jednak je promjeni entalpije, što uključuje i promjenu unutrašnje energije i rad potreban za taj proces.