Transcript 03_zakoni_termodinam..

ZAKONI TERMODINAMIKE
NIČTI ZAKON
PRVI ZAKON
DRUGI ZAKON
TRETJI ZAKON
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE
NIČTI ZAKON
Z ničtim zakonom termodinamike vpeljemo spremenljivko stanja,
ki jo imenujemo temperatura.
Obstaja lastnost univerzuma, ki jo imenujemo temperatura.
Temperatura predstavlja absolutno merilo za izmenjavo toplote.
Če sta dva termodinamska sistema v toplotnem ravnovesju s tretjim
termodinamskim sistemom sta v toplotem ravnovesju med seboj.
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE
PRVI ZAKON
S prvim zakonom termodinamike vpeljemo spremenljivko stanja,
ki jo imenujemo energija.
Obstaja lastnost univerzuma, ki jo imenujemo energija.
Energija se ohranja, ne glede na tip termodinamskega procesa.
Masa se ohranja, ne glede na tip termodinamskega procesa.
Energija in masa sta povezani
E  mc 2
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE
OBLIKE ENERGIJE
KEMIČNA
JEDRSKA
SEVALNA
TERMIČNA
ELEKTRIČNA
MEHANSKA (KINETIČNA, POTENCIALNA)
Celotna energija sistema
E J
Celotna energija sistema na enoto mase
e E/m
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE
J/kg
KINETIČNA ENERGIJA
kinetična energija
mv 2
KE 
2
kinetična energija na enoto mase
v2
ke 
2
J
 J/kg 
POTENCIALNA ENERGIJA
potencialna energija
PE mgz J
potencialna energija na enoto mase
pe  g z
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009
J/kg
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE
CELOTNA ENERGIJA
Celotna energija sistema
mv 2
E  U  KE  PE  U 
 mgz
2
J
Celotna energija sistema na enoto mase
v2
e  u  ke  pe  u   gz
2
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009
 J/kg 
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE
DRUGI ZAKON
Z drugim zakonom termodinamike vpeljemo spremenljivko stanja,
ki jo imenujemo entropija.
Obstaja lastnost univerzuma, ki jo imenujemo entropija.
Ta se spreminja samo v eno smer (narašča), ne glede na tip
termodinamskega procesa.
Pomembni posledici:
Delo ni mogoče v celoti spremeniti v toploto.
Toploto ni mogoče v celoti spremeniti v delo.
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE
V primeru entropije imamo poleg prenosa entropije preko mej sistema
še (v splošnem) generacijo entropije v sistemu.
Sprememba entropije sistema je enaka
Ssys  S  S
S je sprememba entropije zaradi prenosa preko mej sistema
S je sprememba entropije zaradi generacije znotraj sistema
S  0 velja vedno!
Sprememba entropije sistema je lahko negativna ali pozitivna.
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE
Sprememba entropije celotnega univerzuma
Sun  Ssys  Ssur  Ssys  Ssys  Ssur  Ssur
Velja
Ssys  Ssur
Sprememba entropije celotnega univerzuma je vedno pozitivna
Sun  Ssys  Ssur
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE
INTUITIVNO DOJEMANJE ENTROPIJE
Povračljivi (reverzibilni) procesi
Pri njih se ne tvori entropija znotraj sistema.
Čas procesa lahko teče naprej in nazaj, oboje daje smiselna opazovanja.
Nepovračljivi (ireverzibilni) procesi
Pri njih se tvori entropija znotraj sistema.
Čas procesa lahko teče samo naprej, če teče nazaj dobimo nesmiselna
opazovanja.
Entropija določa smer časa.
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE
RELACIJE MED PRENOSOM ENTROPIJE IN PRENOSOM TOPLOTE
Za vsak sistem, ki je povračljiv, vendar drugače povsem poljuben, velja

Q
T
predstavlja spremenljivko stanja
integral je po stanjih, ki definirajo revezibilni proces
To lahko demonstriramo s cikličnim procesom. Zgornja funkcija je enaka
0 za vsak čiklični reverzibilni proces. Zato je spremenljivka stanja.
V diferencialni in integralni obliki to zapišemo
 Qrev  TdS
Qrev 
 TdS
Absorbirano toploto lahko izrazimo kot integral dveh funkcij stanja
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE
Pri vsakem povračljivem procesu je sprememba entropije samo
zaradi prenosa toplote preko mej sistema
Srev  Send  S start 

 Qrev
T
Če se sistem nepovračljivo spremeni iz istega začetnega stanja v isto
končno stanje kot v primeru povračljivega procesa je razlika entropij
začetnega in končnega stanja enaka v obeh primerih. To je zato, ker
predstavljata isti začetni in končni stanji, samo proces je različen.
Sirr  Srev
Sirr  Sirr  Srev Srev ; Srev  0

 Qirr
T
 Sirr 
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009

 Qrev
T

 Qirr
T


 Qrev
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE
T
Prenos entropije preko mej sistema je v primeru povračljivega procesa
večji, kot v primeru nepovračljivega procesa.
V primeru, da je proces izotermen, velja še dodatna poenostavitev
Qirr  Qrev
V primeru povračljivega procesa je izmenjana toplota večja kot v primeru
nepovračljivega procesa.

 Qirr
T


 Qrev
T
1
1
 Qirr    Qrev

T
T
1
1
Qirr  Qrev
T
T
Qirr  Qrev
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE
TRETJI ZAKON
Obstaja najnižja temperatura, pri kateri se nahaja snov.
To temperaturo imenujemo absolutna ničla temperature.
Entropija vseh snovi je pri absolutni ničli enaka. Postavimo jo na nič.
Prof.dr. Božidar Šarler
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
2008/2009
B.ŠARLER, ENERGETIKA IN ENERGETSKE
NAPRAVE, 2002/2003 STRUKTURA / STRUCTURE
TERMODINAMSKE DEFINICIJE
SO RELACIJE, KI JIH DOBIMO IZ OSNOVNIH ZAKONOV
TERMODINAMIKE
IZ PRVEGA ZAKONA
dU   Q   W   W '
notranja energija
[J ]
U
translacija molekul
rotacija molekul
vibracija molekul
translacija elektronov
jedrski spin
notranja energija je vsota vseh oblik mikroskopskih energij
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE
RELACIJE, KI JIH DOBIMO IZ OSNOVNIH ZAKONOV TERMODINAMIKE
IZ DRUGEGA ZAKONA
povračljivo izmenjana toplota
 Qrev  TdS
povračljivo opravljeno mehansko delo
 Wrev  PdV
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE
KOMBINIRAN IZRAZ IZ PRVEGA IN DRUGEGA ZAKONA
dU   Q  Wrev  W 'rev
dU  TdS  PdV   W 'rev
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE
OHRANITVENI ZAKONI ZA KATERIKOLI SISTEM
sprememba mase
min  mout  msystem
sprememba energije
Ein  Eout  Esystem
sprememba entropije
Sin  Sout  Sgen  Ssystem
sprememba eksergije
X in  X out  X destroyed  X system
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE
EKSERGIJA IN ANERGIJA
V svetovno literaturo ju je uvedel slovenski strojnik Zoran Rant
(14. september 1902 - 12. februar 1972)
E  X Y
Vsako energijo sestavljata dve vrsti energij
eksergija X in anergija Y . Pri tem je lahko ena od obeh energij enaka nič.
Energija, ki je neomejeno pretvorljiva v druge vrste energij:
npr. kinetična ali potencialna energija.
V tem primeru je anergija enaka nič.
Energija, ki je le delno pretvorljiva v druge vrste energij:
npr. toplota.
V tem primeru sta anargija in eksergija različni od nič.
Energija, ki ni pretvorljiva v druge vrste energij:
npr. notranja energija okolice.
V tem primeru je eksergija enaka nič.
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE
Pri povračljivih procesih ostajata anergija in eksergija nespremenjeni.
Pri nepovračljivih procesih se eksergija spreminja v anergijo.
Prof.dr. Božidar Šarler
2008/2009
TERMODINAMIKA / THERMODYNAMICS
STRUKTURA / STRUCTURE