Wykład 5
Termodynamika
Pojęcia podstawowe:
objętość właściwa i ciężar właściwy, stopień suchości pary
Gaz doskonały i półdoskonały.
Gaz doskonały ma 4 następujące własności:
1. stosuje się do prawa Boyle’a i Mariotte’a tj gdy T = const to p·V = const
2. stosuje się do prawa Gay-Lusaca gdy p = const to V/T = const
3. stosuje się do prawa Avogadra , Jeżeli w kilku zbiornikach o równych objętościach panuje takie samo ciśnienie i taka sama temperatura, to w każdym z tych zbiorników znajduje się taka sama ilość cząsteczek gazu, pomimo że w każdym zbiorniku jest inny gaz.
4. ma stałe ciepło właściwe
Gaz półdoskonały stosuje się do tych praw ale ma zmienne ciepło właściwe , zależne od temperatury. Ciepło właściwe gazu półdoskonałego jest większe w temperaturach wyższych.
Równanie stanu gazu doskonałego i półdoskonałego, uniwersalna stała gazowa.
Analizując przemianę stanu gazu od stanu 1 do stanu 2 ale w dwóch etapach tj w pierwszym etapie od stanu 1 do pośredniego b przy stałej temperaturze i od stanu b do 2 przy stałym ciśnieniu możemy napisać następujące zależności:
p·V/T = R
Jeżeli obie strony równania pomnożymy przez ilość kilogramów m to otrzymujemy p·v·m = m·R·T, Ponieważ m·v = V to p·V = m·R·T
Stała gazowa (uniwersalna stała gazowa) jest równa pracy wykonanej przez 1 mol gazu doskonałego podgrzewanego o 1 Kelvin podczas przemiany izobarycznej. Wartość uniwersalnej stałej gazowej nie zależy od rodzaju gazu jak też od zmian temperatury ani ciśnienia układu. Dla każdego gazu jest jednakowa i wynosi R = 8,314472(15)J·mol-1·K-1
Uniwersalna stała gazowa jest równa różnicy ciepła właściwego molowego przy stałej objętości i ciśnieniu
R = cp - cv
Mol jest to ilość materii równa masie 6,0221367·1023 cząsteczek danego pierwiastka lub związku chemicznego. Podana liczba No = 6,0221367·1023 nosi nazwę liczby Avogadra i jest równa liczbie atomów zawartych w 0,012 kg izotopu węgla 12C.
Mol odpowiada masie atomowej lub cząsteczkowej substancji wyrażonej w gramach.
Pierwsza zasada termodynamiki, entalpia
Energia nie może zniknąć, nie może też powstać z niczego, natomiast energia może się przemieniać z jednych postaci w inne, przy czym ilość jej nie ulega zmianie.
Jest to pierwsza zasada termodynamiki. W myśl tej zasady nie można zbudować maszyny nie pobierającej energii t j tzw. perpetuum mobile pierwszego rodzaju.
Druga zasada termodynamiki, entropia
Definicje:
1. Ciepło nie może samorzutnie przejść od ciała o temperaturze niższej do ciała o temperaturze wyższej
2. Tarcie jest przemianą nieodwracalną,
3. Niemożliwe jest skonstruowanie perpetuum mobile II rodzaju (perpetuum mobile II rodzaju byłby to pracujący według zamkniętego obiegu silnik cieplny, który by pobierał ciepło tylko z jednego źródła o stałej temperaturze i w całości zamieniał to ciepło na pracę mechaniczną nie powodując żadnych trwałych zmian w innych ciałach)
Elementarny przyrost entropii ciała równy jest ilorazowi elementarnej ilości ciepła, którą pochłonęło to ciało przez temperaturę bezwzględną jaką miało to ciało w momencie pochłaniania tego ciepła
d S = d Q /T
W obliczeniach przyjmuje się zwykle, że entropia ciała jest równa 0, gdy ciało to ma temperaturę 0oC i znajduje się pod ciśnieniem 1 bar
Jednostką entropii jest J/K a entropii właściwej J/(kg· K)
Własności termodynamiczne pary i wody, para sucha i mokra, przegrzana,
wykres i-s , t-s, p-v
Przemiany termodynamiczne , bilans cieplny, sprawność kotła,
Ciecz przegrzana i para przechłodzona
5. Zasada zachowania energii:
Przemiana izotermiczna - prawo Boyle’a i Mariotte’a tj gdy T = const to p·V = const
1. Przemiana izobaryczna - prawo Gay-Lusaca gdy p = const to V/T = const
Przemiana izochoryczna - prawo Charlesa p1/p2 = T1/T2
Przemiana adiabatyczna - bez doprowadzania lub odprowadzania ciepła p ·Vx = const
x= cp/cv
Podczas adiabatycznego rozprężania czynnika objętość
czynnika wzrasta, ciśnienie, temperatura, energia
wewnętrzna, entalpia maleje . Urządzenie w którym
odbywa się przemiana dostarcza energii mechanicznej.
Podczas adiabatycznego sprężania objętość czynnika
maleje natomiast ciśnienie, temperatura, energia
wewnętrzna, entalpia wzrasta. Do urządzenia w którym
odbywa się przemiana dostarcza energia jest dostarczana.
W praktyce zrealizowanie takiej przemiany jest
niemożliwe ponieważ zawsze jest wymiana ciepła
pomiędzy ściankami urządzenia a otoczeniem.
Przemiana politropowa - przemiana podczas której zależność pomiędzy ciśnieniem bezwzględnym i objętością czynnika wyraża się wzorem
p ® Vn = const p - ciśnienie
V - objętość
n - wykładnik politropy, stały dla danego procesu, ale przyjmujący dla różnych procesów
politropowych różne wartości od minus do plus nieskończoności
Przedstawione wcześniej przemiany są przemianami politropowymi o wykładnikach:
dla adiabaty n = x, Konstrukcja politropy
dla izotermy n = 1, Znając położenie dowolnego punktu A i wykładnik v kreślimy:
Bok OC jest 4 razy dłuższy od CD. Następnie
kreślimy kąt b którego wartość jest określona
tg b = 1,25 v-1. Potem kreślimy łamane abc i
def, pamiętając o tym aby odcinki b i e były
nachylone pod kątem 45o. Punkt
przecięcia się prostych c i f jest
punktem 1 rozpatrywanej
politropy.
dla izobary n = 0,
dla izochory n = ∞
Własności termodynamiczne pary i wody
Para wodna - gazowy stan skupienia wody. W technice używana jako nośnik energii cieplnej.
Parametry:
® temperatura
® ciśnienie
® stopień suchości pary
...
marcin0732