Transcript TT_W1_IIrok_1213_f - Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w

Termodynamika techniczna
Wykład 1
Wojciech A. Sysło
Instytut Techniczny,
Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa, Gorzów Wielkopolski
1
Termodynamika techniczna 2012/2013
Treści programu przedmiotu,
czym się zajmuje termodynamika
Termodynamika – zajmuje się przemianami
energetycznymi, ich wykorzystaniem,
określeń wiele, np. …zjawiskami cieplnymi …
W kursie fizyki omawiane były elementy
termodynamiki, przedmiot termodynamika
techniczna kładzie nacisk na przemiany
energetyczne zachodzące w maszynach cieplnych,
w naszym otoczeniu … we WSZCHŚWIECIE
2
Termodynamika techniczna 2012/2013
Treści programu przedmiotu,
czym się zajmuje termodynamika
Opis z zastosowaniem podstawowej wiedzy fizyki,
poszukiwanie nowych źródeł energii,
poszukiwanie nowych rozwiązań
tak było, i jeszcze bywa
3
Termodynamika techniczna 2012/2013
Przykład z ostatnich dni
4
Termodynamika techniczna 2012/2013
Przykład z ostatnich dni
Dania, jesień 2012
Największa średnica wirnika – 154 m,
Turbina bezprzekładniowa
(wolnoobrotowy, wielopolowy generator synchroniczny)
Moc 6 MW
(dotychczas Wiatrak Maxi Vortex z dyfuzorem, 54 m średnicy – 3,5 MW)
Producent SIEMENS
Anglicy zamówili już 300 sztuk
5
Termodynamika techniczna 2012/2013
Źródła energii
Słońce
… Słońcu właściwie WSZYSTKO zawdzięczamy,
i nawet nie potrafimy DOBRZE wykorzystać całej
energii, którą nam wysyła, a wysyła …
Ziemia
ze środka Ziemi, w różnych miejscach COŚ gorącego wytryska,
albo przypływa i odpływa po powierzchni,
dobrze byłoby także wykorzystać energię w inny sposób
zgromadzoną
Reakcje jądrowe
rozpad promieniotwórczy, fuzja jądrowa
6
Termodynamika techniczna 2012/2013
Źródła energii … słońce
Termodynamika techniczna 2012/2013
Z. Kusto, Wykorzystanie energii słonecznej, Polit. Gdańska
7
Źródła energii … słońce
Stała słoneczna - Io = 1353 W/m2
gęstość strumienia energii promieniowania słonecznego
padającego na metr kwadratowy płaszczyzny
prostopadłej do kierunku promieniowania na granicy
ziemskiej atmosfery
Promieniowanie docierające do powierzchni Ziemi to:
- składowa bezpośredniego napromieniowania,
- składowa promieniowania rozproszonego:
- w atmosferze Ziemi,
- przez obiekty na Ziemi.
8
Termodynamika techniczna 2012/2013
Źródła energii … reakcje jądrowe
Reakcje jądrowe wydają się być przyszłością energetyki !
Elektrownie jądrowe dziś działające … wiele ich jest
problemy: niebezpieczne (psychika też – boimy się)
odpady promieniotwórcze
zanieczyszczenia środowiska
awarie
Fuzja jądrowa
Słońce na Ziemi … i same problemy,
ale optymizm: małe ilości produktów roboczych
brak odpadów
brak skażenia środowiska w trakcie pracy
… ale czy ktoś oceni ZANIECZYSZCZENIA
związane z budową reaktora !
Termodynamika techniczna 2012/2013
9
Źródła energii … reakcje jądrowe
Są jednak problemy z wykorzystaniem fuzji jądrowej
w warunkach ziemskich … problemy technologiczne
Bomba atomowa – 1945, USA
Elektrownia jądrowa – 1954, ZSRR
Bomba termojądrowa – 1952, USA
Reakcja syntezy na usługach
ludzkości … może 2050 !
10
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika …
Metody badań zjawisk termodynamicznych, stąd:
- termodynamika fenomenologiczna – opis wyników
doświadczeń, parametry makroskopowe,
- termodynamika statystyczna – atomowa budowa
materii, zbiór atomów i drobin, metody mechaniki
statystycznej, rachunek prawdopodobieństwa.
11
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika …
Układ termodynamiczny:
- zamknięty – nie ma wymiany substancji, wymiana energii na
sposób ciepła i pracy,
- otwarty – wymiana substancji przez granicę układu
- odosobniony – nie ma wymiany substancji ani energii.
Parametry stanu – wartość określa pomiar:
- intensywne – T, p, gęstość – nie zależą od wielkości układu,
- ekstensywne – energia, entropia – własność sumowania
Jeśli wielkości ekstensywne [ J], występujące w równaniu podzielimy
przez masę substancji odbywającej przemianę, otrzymamy wielkości
intensywne [ J/kg].
12
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika …
Stan ustalony – parametry stanu nie zmieniają się
w czasie lub zmieniają się periodycznie.
Przemiana termodynamiczna – zbiór kolejnych stanów
czynnika termodynamicznego; tylko jeden stopień
swobody np. T = f (p) – przemiana izochoryczna.
Równowaga termodynamiczna – ustala się
samorzutnie po dostatecznie długim odosobnieniu
układu – parametry stanu nie ulegają zmianie.
13
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika …
Stany skupienia substancji …
Z wszystkich stanów skupienia tylko gaz ( i para )
posiadają własności, które pozwalają na zamianę
ciepła w pracę na skalę przemysłową.
Gaz całkowicie wypełnia naczynie, w którym się
znajduje; zamiana ciepła w pracę będzie więc
polegała na zmianie objętości gazu wywołanej
wymianą ciepła.
14
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika … modele gazów
Gaz:
- doskonały – spełnia prawa Clapeyrona i Daltona, cząsteczki gazu
nie przyciągają się, są małe, ciepło właściwe zależy od typu
przemiany i rodzaju gazu, nie jest funkcją T i p,
- półdoskonały – atomy drobin powiązane sprężyście występują
drgania, ciepło właściwe jest funkcją T – z temperaturą rośnie
energia drgań własnych, spełniają prawa Clapeyrona i Daltona,
- rzeczywisty – wykazują odchylenie od praw gazowych, ciepło
właściwe jest funkcją temperatury i ciśnienia
Definicja ciepła właściwego
taki zapis zmiany ciepła oznacza, że nie jest ono różniczką zupełną,
czyli zsumowane od stanu 1 do 2 zależy od zrealizowanej
przemiany
15
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika … modele gazów
Gaz doskonały, mikroskopowo:
- cząstki gazu zachowują się doskonale sprężyście,
- wymiana energii między cząsteczkami gazu zachodzi w wyniku
zderzeń sprężystych,
- energia wewnętrzna gazu jest energią kinetyczną cząsteczek,
- energia kinetyczna cząsteczek gazu jest równomiernie rozłożona
miedzy stopnie swobody,
- temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek,
- ciepło właściwe gazu jest stałe (!).
16
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika …
Mieszaniny gazów – gazy w przeciwieństwie do
do innych stanów skupienia mają łatwość tworzenia mieszanin.
Rozpatrując mieszaninę gazów należy ustalić, które
parametry są wspólne dla wszystkich składników,
a które różne: temperatura, objętość … ciśnienie.
Prawo Daltona – prawo ciśnień cząstkowych (parcjalnych)
– każdy ze składników gazu zachowuje się tak jakby zajmował
całą objętość.
Najpopularniejsza mieszanina gazów: gaz/y + para wodna,
w końcu para wodna jest jednym ze składników powietrza.
17
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika … gaz doskonały
Równanie stanu gazu doskonałego – Clapeyrona
pV=nRT
n – ilość moli gazu,
R – uniwersalna stała gazowa 8,314 [ J/mol K]
Inna wersja zapisu:
18
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika … gaz doskonały
Równanie stanu gazu doskonałego – Clapeyrona, inny zapis
pV=nRT
Inny zapis:
R’ – stała gazowa, zależy od rodzaju gazu
19
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika … gaz rzeczywisty
Równanie stanu gazu rzeczywistego, najlepiej sprawdza się
równanie Van der Waalsa, dla jednego mola gazu
uwzględnia:
- oddziaływanie cząsteczek gazu - a/V2,
- objętość własną cząsteczek - b
20
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika … gaz rzeczywisty
Izoterma Van der Waalsa
21
Termodynamika techniczna 2012/2013
Zasady termodynamiki …
przypomnienie z kursu fizyki
Zasady termodynamiki:
ZEROWA ♦ Operacyjna definicja temperatury.
W równowadze termodynamicznej, będące w kontakcie
cieplnym ciała mają taką samą temperaturę.
Jednostka podstawowa w układzie SI – 1 K, definicja.
Skale temperatur … bezwzględna skala temperatur.
22
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika …
Zasady termodynamiki:
PIERWSZA ♦ Zasada zachowania energii –
wprowadzenie pojęcia energii wewnętrznej.
Q = ∆ U + L,
doprowadzone do układu ciepło powoduje wzrost energii
wewnętrznej lub przyczynia się do wykonania przez układ pracy.
23
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika …
PIERWSZA ♦ Zasada zachowania energii
Praca L jest iloczynem skalarnym siły F i przesunięcia s, wzdłuż którego
ta siła działa
L=sF
Elementarna praca
W przypadku rozszerzania się gazu quasistatycznie, parcie ( p A) równe
jest F
możemy wyliczyć pracę całkowitą na drodze przemiany o stanu 1 do 2
Jest to tzw. praca absolutna (bezwzględna).
Proszę zwrócić uwagę na zapis elementarnej pracy – to zapis różniczki,
która nie jest różniczką zupełną (nie spełnia warunku Schwarza), podobne
24
własności ma zmiana ciepła.
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika …
Zasady termodynamiki:
DRUGA ♦ Określa kierunek (zwrot) biegu procesów
w przyrodzie – pojęcie entropii,
która nigdy nie maleje.
Cykl Carnota, modelowe rozważania maszyny
cieplnej – NIE MOŻNA całego dostarczonego do układu
ciepła zamienić na pracę – to jedno ze sformułowań II
zasady termodynamiki
25
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika …
Cykl Carnota
26
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika …
Sformułowanie Clausiusa II zasady termodynamiki
energia cieplna nie może samorzutnie przenosić się z ciała o
temperaturze niższej do ciała o temperaturze wyższej.
Entropia określona jest dla ciała będącego w równowadze,
a wymiana ciepła następuje na drodze odwracalnej
Entropia jest funkcją stanu, więc dla odwracalnego obiegu
mamy
27
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika …
Zasady termodynamiki:
TRZECIA ♦ Niemożliwość osiągnięcia
temperatury 0 K !
To wynik doświadczeń !!
28
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika …
Zasady termodynamiki:
Termodynamika klasyczna – opis stanów równowagi,
wykresy przemian – kolejne stany równowagi,
co więcej, przebieg przemian tak ‘przeprowadzony’
z założenia procesy odwracalne – quazistatycznie
29
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika …
Zasady termodynamiki:
CZWARTA ♦ Zasada Onsagera – opis procesów
nierównowagowych.
W przyrodzie i technice niestety, nie występują stany
równowagi termodynamicznej.
W rzeczywistości mamy do czynienia ze stanami
nierównowagowymi, a one nie występują pojedynczo !!!
30
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika …
PRZYKŁAD
Niech bodźcem będzie różnica temperatur,
poza przepływem ciepła,
w cieczy towarzyszyć będzie temu przemieszczanie
się cieczy – termodyfuzja.
Procesy sprzężone: mieszanina dwóch cieczy,
,
gradient temperatury –> przewodzenie ciepła,
towarzyszy temu wędrówka cieczy -> termodyfuzja
proces wtórny, powstaje gradient stężeń.
31
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika …
… w innych działach fizyki i nie tylko fizyki.
Entropia w zapisie statystycznym:
S = k ln W
W – ilość możliwych realizacji danego stanu układu,
k – stała Boltzmanna, równa R/NA, NA-stała Avogadra
Entropia w informatyce, i nie tylko w informatyce
– miara ilości informacji.
Inne zastosowanie w opisie struktur matematycznych,
np. termodynamika fraktali.
32
Termodynamika techniczna 2012/2013
Termodynamika … to także
Szukanie nowych rozwiązań
Marzenia … ale czy tylko;
koncepcja *, propagowana
m. in. w krajach CE
rozwój zrównoważony** to wykorzystanie systemu
zasobów odnawialnych energii TAK by zachowywał
swoje najważniejsze właściwości i mógł regenerować
się w naturalny sposób.
TAK, my MUSIMY o to zadbać !
*Energy & Environment, GUNT, Hamburg; także Bundestag 2002
** Nie odkrywam nic nowego, w podstawie programowej, przedmiot PRZYRODA, 15.4 zrównoważony rozwój alternatywą dla przyszłości świata.
33
Termodynamika techniczna 2012/2013
Zrównoważony rozwój
… wybrane problemy
Źródła energii w systemach (odnawialne):
energia słoneczna, na różny sposób wykorzystywana
energia wodna,
wiatr,
biomasa,
energia geotermalna,
…
34
Termodynamika techniczna 2012/2013
Mały przykład, wieża słońca
Wyjaśnienie zasady działania:
- zagadnienia energii słonecznej,
- temperaturowa zależność
parametrów gazu,
- przenoszenie energii
m. in. konwekcja,
- przepływy cieczy i gazów –
sprawność urządzenia.
Inne zagadnienia:
Wiatr pod ‘dachem’ - 50 km/h,
32 turbiny o mocy 6,5 MW
- wpływ na środowisko,
- elementy ekologii,
35
Termodynamika techniczna 2012/2013
Laboratorium TT , następny semestr
Ćwiczenia ilustrujące zagadnienia przetwarzania energii
w systemach zasobów odnawialnych:
1. Przemiany energii, troszkę fizyki … wymiana energii
2. Energia elektryczna z energii słonecznej, ogniwa, wieża
3. Energia cieplna z energii słonecznej… efekt cieplarniany
4. Technologia wodorowa, ogniwa paliwowe
5. Energia wiatru… widzieliśmy wcześniej, różne wiatraki
6. Energia wody, zapory, fale, przypływy … turbiny
7. Energia otoczenia, pompa cieplna, gejzery …
8. Paraboliczne lustro jako źródło mocy, kolektory,
36
Termodynamika techniczna 2012/2013