termo, Politechnika krakowska, Wytrzymałość materiałów
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
T E R M O D Y N A M I K A
st. kpt dr inż. Jerzy Gałaj
st. kpt. mgr inż. Marek Świątkiewicz
Katedra Techniki Pożarniczej
Zakład Hydromechaniki i Przeciwpożarowego Zaopatrzenia w Wodę
pokój nr 310
e-mail: jgalaj@aster.pl, galaj@sgsp.edu.pl
Dział fizyki zajmujący się zagadnieniami przemian energetycznych w
szczególności badaniem zjawisk cieplnych w układach makroskopowych
oraz analizą tendencji zmian stanów równowagi. Nie stanowi oddzielnej
zamkniętej nauki lecz może być przydatna podczas analizowania różnorodnych
zjawisk związanych z przemianami energii. Ściśle związana z innymi
dyscyplinami nauki np. wymianą ciepła, spalaniem, aero- i hydrodynamiką,
podobieństwem cieplnym i mechanicznym, przepływami, teorią maszyn itp.
W większości przypadków problemy te stanowią pewne elementy składowe
przedmiotu termodynamika techniczna.
Literatura:
1. Stefanowski S.: Termodynamika techniczna. WNT, Warszawa
(wszystkie wyd.).
2. Stefanowski S: Wymiana ciepła. WNT, Warszawa (wszystkie wyd.).
3. Zagórski Z: Termodynamika techniczna t.I,II i III. PWN, Warszawa
(wszystkie wyd.).
4. Ochęduszko S.: Teoria maszyn cieplnych. PWT, Warszawa (wszystkie wyd.).
5. Staniszewski B.: Termodynamika. PWN, Warszawa (wszystkie wyd.).
6. Kołodziejczyk L.: Termodynamika dla wydziałów inżynierii sanitarnej.
PWN, Warszawa (wszystkie wyd.).
7. Ocheduszko S.: Termodynamika stosowana. WNT, Warszawa
(wszystkie wyd.).
8. Szargut J.: Termodynamika, PWN, Warszawa 2000.
9. Ochęduszko S, Szargut J., Górniak H., Guzik A., Wilk S. Zbiór zadań
z termodynamiki technicznej. PWN, Warszawa (wszystkie wyd.).
10. Sobociński R., Nagórski Z.,Kośmicki T.: Zbiór zadań z termodynamiki
technicznej. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 1996.
11. Gąsiorowski J., Radwański E.,Zagórski J., Zgorzelski M.: Zbiór zadań
z teorii maszyn cieplnych. WNT, Warszawa (wszystkie wydania).
12. Wiśniewski S.,Wiśniewski T.: Wymiana ciepła. WNT, Warszawa 2000.
13. Teodorczyk A.: Termodynamika techniczna. WSiP, Warszawa 1999.
14. Teodorczyk A.: Zbiór zadań z termodynamiki technicznej. WSiP,
Warszawa 1995.
Wykład 1
Podstawowe pojęcia używane w termodynamice
1.
Układ termodynamiczny
Substancja wypełniająca część przestrzeni ograniczonej powierzchnią
materialną lub abstrakcyjną. Jeżeli ilość substancji w układzie jest stała,
to układ jest zamknięty. Jeżeli przez powierzchnię ograniczającą przepływa
substancja, to układ jest otwarty.
2.
Ograniczenie układu
Powierzchnia oddzielająca układ od otoczenia może być:
a. adiabatyczna – nie dopuszcza wymianę ciepła,
b. diatermiczna – nieprzepuszczalna dla substancji materialnej, ale dopuszcza
wymianę ciepła,
c. półprzepuszczalna – pozwala na wymianę z otoczeniem tylko jednej
substancji chemicznej,
d. nieprzepuszczalna – nie pozwala na przepływ substancji.
3.
Otoczenie
Pozostała część przestrzeni, która znajduje się poza rozpatrywanym
układem. Może ona wywierać wpływ na ten układ, przede wszystkim poprzez
oddziaływanie energetyczne. Mogą się również znajdować w niej inne układy
termodynamiczne.
4.
Parametr fizyczny układu
Obserwowalna wielkość charakterystyczna dla danego układu, której
znajomość nie wymaga znajomości historii układu. Jego wartość nie zależy od
przemian, jakim podlega układ.
5.
Parametr termodynamiczny układu
Parametr fizyczny, którego zmiana jest istotna z punktu widzenia
badanego zjawiska termodynamicznego. Jeżeli wartość parametru nie zależy od
ilości substancji, to taki parametr nazywamy intensywnym np. temperatura t lub
ciśnienie p. W przeciwnym razie parametr nazywamy ekstensywnym np.
energia lub objętość układu.
6.
Stan układu
Określony poprzez wartości wszystkich parametrów termodynamicznych.
Dwa stany są identyczne, jeżeli wartości wszystkich parametrów opisujących
dany układ w obu stanach są jednakowe.
2
7.
Równowaga termodynamiczna
Stan, który ustala się samorzutnie w układzie odizolowanym od
oddziaływań zewnętrznych i pozostaje niezmienny w czasie, gdy parametry
stanu tego układu nie ulegają zmianie w czasie. Dla zachowania równowagi
termodynamicznej układu musi być zachowana jego: równowaga
mechaniczna
(równowaga sił i momentów),
chemiczna
(skład chemiczny jest stały) i
termiczna (brak wymiany ciepła z otoczeniem i temperatura w każdym punkcie
jest taka sama).
a) układ jest w równowadze
trwałej
, jeżeli skończona zmiana jego stanu
powoduje również skończoną zmianę w stanie otoczenia,
b) układ jest w równowadze
obojętnej
, jeżeli skończona zmiana jego stanu
jest możliwa bez odpowiedniej zmiany stanu otoczenia, przy czym stan
początkowy może być przywrócony przez nieskończenie małą zmianę
stanu otoczenie.
c) układ jest w równowadze
chwiejnej
, jeżeli skończona zmiana stanu układu
może zajść bez odpowiedniej zmiany stanu otoczenia, a przywrócenie stanu
początkowego wymaga skończonej zmiany stanu otoczenia,
d) układ jest w równowadze
metastabilnej
, jeżeli po działaniu bodźca
większego
od pewnej wartości granicznej zachowuje się on jak układ w stanie
równowagi chwiejnej, natomiast po działaniu bodźca mniejszego od tej
wartości jak układ w stanie równowagi trwałej.
8.
Przemiana termodynamiczna
Zjawisko stanowiące ciągłą zmianę stanów układu między pewnym
stanem początkowym i końcowym. Zmiana stanu układu może być
przedstawiona graficznie w układzie współrzędnych stanowiących parametry
stanu. Jej obrazem jest wówczas linia zwana
drogą przemiany
. Oprócz zmiany
stanu podczas przemiany może zachodzić aktywne współdziałanie z otoczeniem
w postaci oddziaływań energetycznych. Jeżeli przemiana przebiega w układzie
zamkniętym a stan początkowy i końcowy są identyczne, wówczas nazywana
jest ona obiegiem (zamkniętym) termodynamicznym lub cyklem.
Przemianę nazywamy
odwracalną,
jeżeli jest możliwy powrót układu
i otoczenia do stanu początkowego. W przeciwnym przypadku mamy do
czynienia z przemianą
nieodwracalną
.
9.
Energia układu
Suma energii cząsteczek oraz energii ich wzajemnego oddziaływania
odniesiona do środka masy. Oddziaływanie wzajemne układu i otoczenia
sprowadza się do wymiany energii wewnętrznej , które zwykle odbywa się w
formie makroskopowej przez wykonanie pracy lub w formie mikroskopowej
przez wymianę ciepła. Energia wewnętrzna wzrasta wraz ze wzrostem
temperatury. Energia wewnętrzna zawiera w sobie różne rodzaje energii np.
potencjalną, kinetyczną, chemiczną, sprężystą.
3
10.
Praca
Praca zewnętrzna przemiany jest pracą makroskopowych sił
zewnętrznych i jest związana ze zmianą stanu układu. Pracę zewnętrzną
oddawaną do otoczenia przez układ przyjęto za dodatnią (dV>0), a pracę
zewnętrzną pobieraną przez układ z otoczenia za ujemną (dV<0). W
szczególnym przypadku praca zewnętrzna ogranicza się do pracy zmiany
objętości, a wtedy dla przemian odwracalnych ciał prostych mamy (rys. 1) :
V
L
1,2
p(V)
dV
V
1
Rys. 1. Interpretacja graficzna pracy zewnętrznej na wykresie p-V
Praca zewnętrzna przemiany zależy od rodzaju przemiany, a w celu jej
obliczenia należy znać charakterystyczną dla tej przemiany zależność ciśnienia
od objętości.
W przypadku występowania oporów wewnętrznych np. w postaci tarcia
wewnętrznego praca zewnętrzna przemiany L
z1,2
różni się od pracy przemiany
L
1,2
o zawsze dodatnią pracę, która idzie na pokonanie oporów wewnętrznych
L
w1,2
, czyli L
1,2
= L
z1,2
+ L
w1,2
4
2
11.
Ciepło
Ciepło przemiany składa się z ciepła doprowadzonego z zewnątrz (ciepło
zewnętrzne) oraz ciepła spowodowanego dyssypacją pracy wewnątrz układu
(ciepło wewnętrzne). Jeżeli dwa układy mające różną temperaturę wymieniają
między sobą energię bez zmian objętości, to wówczas formą przekazania
energii wewnętrznej jest wyłącznie wymiana ciepła. Pojęcie ciepła może być
zdefiniowane jednoznacznie tylko w układzie zamkniętym. Podobnie do pracy
ciepło nie jest parametrem stanu, ponieważ zależy od stanu początkowego i
końcowego oraz od drogi przemiany.
12.
Ciepło właściwe
Ciepło właściwe przemiany jest to stosunek ciepła przemiany do ilości
substancji uczestniczącej w tej przemianie oraz do przyrostu temperatury
podczas tej przemiany. Średnie ciepło właściwe przemiany między stanami
1 i 2 odniesione do 1 kg jest równe:
c
12
[J/kg K] (2)
Q
12
M(T
-
T
)
2
1
Rzeczywiste ciepło właściwe w stanie określonym temperaturą i ciśnieniem
odniesione do 1 kg:
dT
c
p
(3)
1
dQ
dq
M
dT
Rzeczywiste ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu:
dT
c
p
p
1
dI
di
M
dT
(4)
Rzeczywiste ciepło właściwe przy stałej objętości:
dT
c
v
p
(5)
1
dU
du
M
dT
14.
Czynnik termodynamiczny
Medium (gaz, para, ciecz, ciało stałe) biorące udział w procesach
wymiany masy i ciepła bądź pośredniczące w procesach przekształcania energii
cieplnej w pracę mechaniczną lub odwrotnie.
Najczęściej w procesach jako czynnik termodynamiczny używany jest gaz.
Ze względu na przyjęte założenia co do ich budowy a tym samym
własności rozróżniamy trzy rodzaje gazów:
Gaz doskonały
– posiada stałe ciepło właściwe (niezależne od temperatury i
ciśnienia), nie zmienia stanu skupienia (nie ulega skropleniu) i można go
traktować jako zbiór cząstek stanowiących punkty materialne. Ściśle
podporządkowuje się prawom gazowym.
Gaz półdoskonały
– taki sam jak gaz doskonały z tą tylko różnicą, że jego
ciepło
właściwe zależy od temperatury.
Gaz rzeczywisty
– nie spełnia podanych wyżej warunków.
5
T,
T,
T,
[ Pobierz całość w formacie PDF ]