ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Θερμοδυναμική Ενότητα 2 : Ενέργεια 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 του έργου και της θερμότητας 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. Τέλος, στόχος της ενότητας αυτής αποτελεί η κατανόηση από τους φοιτητές της σημασίας των εν λόγω εννοιών στην μελέτη αφενός και στην επίλυση αφετέρου ενεργειακών προβλημάτων. 4
Περιεχόμενα Ενότητας Ενέργεια Έργο Θερμότητα 5
Ενέργεια Η ενέργεια την οποία διαθέτει ένα θερμοδυναμικό σύστημα διακρίνεται σε: Αποθηκευμένη ενέργεια: Είναι το άθροισμα των παρακάτω επιμέρους ενεργειών που μπορεί να έχει ένα θερμοδυναμικό σύστημα. Δυναμική ενέργεια: Είναι η ενέργεια που έχει το σύστημα λόγω της απόστασής του από ένα επίπεδο αναφοράς Κινητική ενέργεια: Είναι η ενέργεια που έχει το σύστημα λόγω της ταχύτητάς του Χημική ενέργεια: Είναι η ενέργεια που έχει το σύστημα λόγω της δυνατότητάς του να εκτελέσει χημικές αντιδράσεις Πυρηνική ενέργεια: Είναι η ενέργεια που υπάρχει στους πυρήνες των ατόμων της ύλης που εμπεριέχεται σε ένα θερμοδυναμικό σύστημα Εσωτερική ενέργεια: Είναι η ενέργεια (κυρίως κινητική) την οποία έχουν οι δομικοί λίθοι της ύλης που εμπεριέχεται σε ένα θερμοδυναμικό σύστημα
Ενέργεια (2) Ενέργεια σε μεταβατική κατάσταση: Είναι η ενέργεια η οποία μπορεί να μεταφέρεται από ένα θερμοδυναμικό σύστημα σε ένα άλλο μέσω της οριακής του διάστασης. Είναι προσημασμένη ποσότητα και διακρίνεται σε: Έργο και Θερμότητα W(+) W(-) Q(+) Q(-) Το έργο διακρίνεται: Εξωτερικό έργο (μεταξύ συστήματος και περιβάλλοντος) και Εσωτερικό έργο (μεταξύ μέρους του συστήματος στο υπόλοιπο σύστημα)
Ενέργεια (3) Δρομο-συναρτήσεις / Σημειο-συναρτήσεις: Τόσο το έργο όσο και η θερμότητα είναι ποσότητες οι οποίες εξαρτώνται από τη διαδρομή (διαδικασία) την οποία ακολούθησε το σύστημα πηγαίνοντας από μία κατάσταση σε μία άλλη. Οι ποσότητες αυτές χαρακτηρίζονται ως δρόμο-συναρτήσεις και τα διαφορικά τους ονομάζονται ανακριβή διαφορικά και συμβολίζονται με το γράμμα δ. Οι ποσότητες οι οποίες δεν εξαρτώνται από το δρόμο αλλά μόνο από την αρχική και τελική κατάσταση χαρακτηρίζονται ως σημειο-συναρτήσεις και τα διαφορικά τους ονομάζονται τέλεια διαφορικά και συμβολίζονται με το γράμμα d. Μονάδες Έργου και Θερμότητας: kj, kcal, Btu, 1 kj=0,239 kcal, 1kJ=0,948 Btu Μονάδες Ισχύος: 1kW=859,7kcal/h, 1kW=3412,1Btu/h, 1kW=1,359PS, 1kW=1,341HP
Έργο Είναι το έργο μορφή ενέργειας? F Από τη Μηχανική δw=fdx δw=pαdx=pdv ή dv δw mγγd m dx dt ή W 12 2 2 m(v2 V 1 ) 2 2 W 12 pdv 1 dx m dt dv dx V: όγκος mvdv (κινητική ενέργεια) δw=mgdy ή W 12 =mg(y 2 -y 1 ) (δυναμική ενέργεια) Έργο = Ενέργεια Α
Θερμότητα Η θερμότητα όπως και το έργο, είναι μια μορφή ενέργειας, η οποία μπορεί να μεταβιβαστεί χωρίς μεταφορά μάζας μέσω των οριακών διαστάσεων ενός συστήματος. Για να γίνει όμως αυτό θα πρέπει να υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των θεωρουμένων συστημάτων. Όπως δεν υπάρχει έργο εάν δεν υπάρχει δύναμη, έτσι και η θερμοκρασιακή διαφορά αποτελεί την οδηγό δύναμη για τη μεταφορά της ενέργειας σαν θερμότητα. Ένα σώμα ή ένα σύστημα δεν έχει θερμότητα ή έργο, αλλά έχει ενέργεια. Η θερμότητα και το έργο έχουν έννοια κατά τη μεταφορά της ενέργειας από ένα σύστημα στο άλλο.
Θερμότητα (2) Διακρίνουμε διάφορες θερμότητες, όπως: Αισθητή θερμότητα: Είναι το ποσό της θερμότητας που απαιτείται ανά kg ύλης, συγκεκριμένης πίεσης, για να αυξηθεί η θερμοκρασία της από τη θερμοκρασία στην οποία βρίσκεται σε μία μεγαλύτερη θερμοκρασία χωρίς να αλλάξει φάση και αντιστρόφως. Λανθάνουσα θερμότητα: Είναι το ποσό της θερμότητας που απαιτείται ανά kg ύλης, συγκεκριμένης πίεσης, για να αλλάξει φάση. Εάν πρόκειται για υγρό, για να μετατραπεί από την κατάσταση του κεκορεσμένου υγρού στην κατάσταση του κεκορεσμένου ατμού, καλείται και θερμότητα ατμοποίησης, ενώ το αντίστροφο καλείται θερμότητα συμπύκνωσης. Κατά τη διάρκεια της αλλαγής της φάσης μιας αμιγούς ουσίας υπό σταθερή πίεση, η θερμοκρασία επίσης παραμένει σταθερή. Θερμότητα υπερθέρμανσης: Είναι το ποσό της θερμότητας που απαιτείται ανά kg ατμού, συγκεκριμένης πίεσης, για να αυξηθεί η θερμοκρασία του πάνω από τη θερμοκρασία του κεκορεσμένου ατμού, για την πίεση αυτή.
Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΑΕΙ Πειραιά ΤΤ, Αλέξης Γεώργιος, 2016. «Θερμοδυναμική. Ενότητα 2: Ενέργεια». Έκδοση: 2.0. Αθήνα 2016.
Τέλος Ενότητας