ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Θερμοδυναμική Ενότητα 1 : Εισαγωγή Δρ Γεώργιος Αλέξης Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε.
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Σκοποί Ενότητας Η ενότητα αυτή στοχεύει στην εισαγωγή των φοιτητών στις βασικές έννοιες της θερμοδυναμικής που σχετίζονται με τη συμπεριφορά τόσο των ιδανικών αερίων όσο και των καθαρών ουσιών. Με την εμπέδωση των εννοιών αυτών και την επιλογή των κατάλληλων εξισώσεων εκ μέρους των φοιτητών επιλύονται προβλήματα της ειδικότητας του μηχανολόγου μηχανικού. Με αυτή την έννοια η ενότητα αυτή αποτελεί τη βάση πάνω στην οποία αναπτύσσονται συγκεκριμένες μεθοδολογίες σε επί μέρους ειδικά μαθήματα των επόμενων εξαμήνων. Τέλος, στόχος της ενότητας αυτής αποτελεί η κατανόηση από τους φοιτητές της σημασίας της θερμοδυναμικής στην μελέτη αφενός και στην επίλυση αφετέρου ενεργειακών προβλημάτων 4
Περιεχόμενα Ενότητας Θερμοδυναμικά συστήματα Θερμοδυναμικές ιδιότητες Θερμοδυναμική ισορροπία Θερμοδυναμική διεργασία Συμβολισμοί θερμοδυναμικών ιδιοτήτων Μηδενικό θερμοδυναμικό αξίωμα Θερμοκρασιακές κλίμακες Πίεση 5
Θερμοδυναμικά Συστήματα Θερμοδυναμική: Η επιστήμη η οποία ασχολείται με τη μελέτη της θερμότητας και του έργου καθώς και με τις μετατροπές που υφίστανται οι φυσικές ιδιότητες της ύλης. Διακρίνεται στην Κλασική θερμοδυναμική και στην Στατιστική θερμοδυναμική. Θερμοδυναμικά συστήματα: Περιοχή του χώρου που περιλαμβάνει κάποια ποσότητα μάζας, τη συμπεριφορά της οποίας καλούμεθα να μελετήσουμε. Περιβάλλον χώρος Θερμοδυναμικό σύστημα Οριακή διάσταση
Κλειστό σύστημα Κλειστό σύστημα: Το θερμοδυναμικό σύστημα δια μέσου της οριακής διάστασης του οποίου έχουμε ροή θερμότητας ή/και έργου. Δεν υπάρχει ροή μάζας. Έμβολο Κυλινδρικό δοχείο Έργο με τη μετατόπιση του εμβόλου Οριακή διάσταση Θερμότητα
Ανοικτό σύστημα ή όγκος ελέγχου Ανοικτό σύστημα (όγκος ελέγχου): Το θερμοδυναμικό σύστημα δια μέσου της οριακής διάστασης του οποίου έχουμε ροή θερμότητας ή/και έργου, αλλά και ροή μάζας. Μονοβάθμιος συμπιεστής Ροή μάζας εισαγωγής Ροή μάζας εξαγωγής Θερμότητα Έργο Η/Κ
Απομονωμένο σύστημα Απομονωμένο σύστημα: Το θερμοδυναμικό σύστημα δια μέσου της οριακής διάστασης του οποίου δεν έχουμε ροή θερμότητας ή/και έργου, αλλά ούτε και ροή μάζας. Θερμός
Θερμοδυναμικές Ιδιότητες Ποσότητες που έχουμε επινοήσει για να μελετάμε τη συμπεριφορά των συστημάτων. Εντατικές θερμοδυναμικές ιδιότητες: Είναι εκείνες οι θερμοδυναμικές ιδιότητες οι οποίες είναι ανεξάρτητες της μάζας π.χ.(p, t) Εκτατικές θερμοδυναμικές ιδιότητες: Είναι εκείνες οι θερμοδυναμικές ιδιότητες οι οποίες εξαρτώνται από τη μάζας π.χ. (m, V, U, Η, S) Ειδικές θερμοδυναμικές ιδιότητες: Είναι εκείνες εκ των εκτατικών θερμοδυναμικών ιδιοτήτων οι οποίες είναι διηρημένες με τη μάζα π.χ. (υ, ρ, x, u, h, s) Γραμμομοριακές θερμοδυναμικές ιδιότητες: Είναι εκείνες εκ των εκτατικών θερμοδυναμικών ιδιοτήτων οι οποίες είναι διηρημένες με τον αριθμό των γραμμομορίων π.χ. ( )
Θερμοδυναμική ισορροπία συστήματος Θεωρούμε ένα θερμοδυναμικό σύστημα ότι βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία όταν συντρέχουν και οι τρείς παρακάτω ισορροπίες: Μηχανική ισορροπία: ομοιόμορφα κατανεμημένες δυνάμεις στο σύστημα και ευρισκόμενες σε ισορροπία με εξωτερικές δυνάμεις ή η πίεση σε όλα τα σημεία του συστήματος είναι σταθερή Θερμική ισορροπία: ομοιόμορφα κατανεμημένη θερμοκρασία στο σύστημα και ευρισκόμενη σε ισορροπία με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος Χημική ισορροπία: δεν πραγματοποιούνται εντός του συστήματος χημικές αντιδράσεις
Θερμοδυναμική διεργασία Καλούμε θερμοδυναμική διεργασία, την οποία πραγματοποιεί ένα σύστημα, το γεωμετρικό τόπο των καταστάσεων ισορροπίας από τις οποίες το σύστημα διήλθε, πηγαίνοντας από μία κατάσταση ισορροπίας 1 σε μία κατάσταση ισορροπίας 2. Διεργασία 1 2 Διακρίνεται σε: Αντιστρεπτή διεργασία: Όταν ένα θερμοδυναμικό σύστημα μεταβαίνει μέσω μιας διεργασίας από την κατάσταση ισορροπίας 1 στην κατάσταση ισορροπίας 2 και επιστρέφει από την κατάσταση 2 στην κατάσταση 1 μέσω των ίδιων καταστάσεων ισορροπίας που πήγε από την κατάσταση 1 στην κατάσταση 2, τότε η διεργασία καλείται αντιστρεπτή. Σε αντίθετη περίπτωση η διεργασία καλείται αναντιστρεπτή ή μη αντιστρεπτή διεργασία.
Θερμοδυναμική κυκλική διεργασία Όταν ένα θερμοδυναμικό σύστημα μεταβαίνει μέσω μιας διεργασίας α από την κατάσταση ισορροπίας 1 στην κατάσταση ισορροπίας 2 και επιστρέφει από την κατάσταση 2 στην κατάσταση 1 μέσω της διεργασίας β, τότε λέμε ότι το θερμοδυναμικό σύστημα πραγματοποίησε την κυκλική διεργασία 1α2β1. α 1 2 β
Συμβολισμοί Μονάδες θερμοδυναμικών ιδιοτήτων Παρουσιάζονται μερικές θερμοδυναμικές ιδιότητες με τις συνηθέστερες μονάδες: Ιδιότητες που συμβολίζονται με μικρά γράμματα Συμβολισμός Περιγραφή Μονάδα m μάζα kg t θερμοκρασία o C υ ειδικός όγκος m 3 /kg u ειδική εσωτερική ενέργεια kj/kg h ειδική ενθαλπία kj/kg s ειδική εντροπία kj/kgk w ειδικό έργο ή έργο ανά μονάδα μάζας kj/kg q ειδική θερμότητα ή θερμότητα ανά μονάδα μάζας kj/kg
Συμβολισμοί Μονάδες θερμοδυναμικών ιδιοτήτων (2) Ιδιότητες που συμβολίζονται με κεφαλαία γράμματα: Συμβολισμός Περιγραφή Μονάδα p πίεση bar ή kpa T θερμοκρασία K V όγκος, ταχύτητα m 3, m/s U εσωτερική ενέργεια kj H ενθαλπία kj S εντροπία kj/k W έργο kj Q ειδική θερμότητα kj
Συμβολισμοί Μονάδες θερμοδυναμικών ιδιοτήτων (3) Ιδιότητες που συμβολίζονται με μικρά ή κεφαλαία γράμματα με μία τελεία από πάνω, δηλαδή είναι ιδιότητες ανηγμένες στη μονάδα του χρόνου: Συμβολισμός Περιγραφή Μονάδα παροχή μάζας kg/s παροχή όγκου m 3 /s μηχανική ισχύς θερμική ισχύς kw kw
Μηδενικό θερμοδυναμικό αξίωμα Όταν δύο συστήματα βρίσκονται, το καθένα χωριστά, σε θερμική ισορροπία με ένα τρίτο σύστημα, τότε είναι και μεταξύ τους σε θερμική ισορροπία. Ο νόμος αυτός αποτελεί τη βάση για το σωστό τρόπο μέτρησης της θερμοκρασίας. Γ Γ Α Β Α Β
Κλίμακες θερμοκρασίας Celsius Kelvin Fahrenheit Rankine 100 o C 373,15K 212 o F 671,67R Σημείο ατμών 0 o C 273,15K 32 o F 491,67R Σημείο πάγου -273,15 o C 0K -459,67 o F 0R Απόλυτο μηδέν C/5=(F-32)/9 K=C+273 R=F+460
Πίεση Υπερπίεση Μανομετρική πίεση p abs κενό Υποπίεση p atm p abs p=0 Στην περίπτωση της υπερπίεσης ισχύει: p abs =p atm + μανομετρική Στην περίπτωση της υποπίεσης ισχύει: p abs =p atm + κενό Μονάδες πίεσης: 1Pa, 1bar=10 5 Pa ή 10 5 Nt/m 2, 1atm=1,0132 bar
Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΑΕΙ Πειραιά ΤΤ, Αλέξης Γεώργιος, 2016. «Θερμοδυναμική. Ενότητα 1: Εισαγωγή». Έκδοση: 2.0. Αθήνα 2016.
Τέλος Ενότητας