5. PRVI PRINCIP TERMODINAMIKE

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

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 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! 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 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

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, 00 00 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

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. 46. 5.4 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). 5.4. 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

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. 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

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

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

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

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