Otázky Termomechanika (2014)
1. Základní pojmy a veličiny termomechaniky a. Makroskopický a mikroskopický popis systému, makroskopické veličiny b. Tlak: definice makroskopická a mikroskopické objasnění tlaku plynu c. Teplota a její mikroskopické objasnění d. Látkové množství, Avogadrova konstant a molární hmotnost. 2. Energie, práce a teplo a. Vnitřní energie a celková energie b. Formy vnitřní energie (kmity molekul, chemické vazby apod.) c. Entalpie d. Měrná vnitřní energie a entalpie e. Malá změna (měrné) entalpie f. Pojem práce v termomechanice, měrná práce g. Teplo, měrné teplo 3. Termodynamická rovnováha a. Tepelná rovnováha a termodynamická rovnováha b. Kvazistatický proces a popis stavu při tomto procesu c. Výpočet práce při kvazistatickém procesu d. Práce v p-V (nebo p-v) diagramu e. Technická práce 4. Měrná tepelná kapacita a. Definice měrné tepelné kapacity na jednotku hmoty b. Měrná tepelná kapacita na jednotku objemu a molární tepelná kapacita c. Hodnoty měrné tepelné kapacity u důležitých látek (voda, vzduch, železo) a některé důsledky (např. pro klima) d. Měrné kapacity tuhých látek (proč jsou molární kapacity málo odlišné) e. Měrná tepelná kapacita při konstantním tlaku a objemu f. Kalorimetrická rovnice 5. První zákon termodynamiky a. Co je perpetuum mobile b. Teplo jako forma energie (přeměna na jiné formy), znaménková konvence c. První zákon termodynamiky při změnách pouze vnitřní energie d. Výměna tepla při izobarickém a izochorickém ději e. První zákon termodynamiky při změně celkové energie f. Vtlačovací práce a první zákon pro kontrolní objem
6. Druhý termodynamický zákon a. Souvislost toho, že reálné makroskopické procesy nemohou probíhat pozpátku (jako obráceně puštěný film), a samovolné přeměny energie na teplo, která tyto procesy téměř vždy doprovází (např. díky tření). b. Clausiova formulace c. Thomsonova formulace d. Planckova formulace 7. Tepelné oběhy a. Cyklický proces b. Typy technicky významných oběhů (parní stroj, spalovací motor, spalovací turbína, chladnička, klimatizace, tepelné čerpadlo, apod.) c. Rozdíl mezi tepelným motorem a tepelným čerpadlem d. Termická účinnost e. Koeficient výkonu u chladniček a tepelných čerpadel 8. Vratné děje a vratné oběhy a. Definice vratného tepelného stroje b. Realizace vratné výměny tepla - izotermický proces c. Realizace vratného zahřívání či ochlazování tělesa (pracovního média) – adiabatický proces d. Vratný oběh e. Vratné děje v termodynamických digramech 9. Carnotův princip a. Zavedení vratného stroje jako hlavní krok při hledání stroje s maximální termickou účinností b. Energetická bilance dvou souběžně pracujících strojů c. Použití druhého termodynamického zákona k odvození toho, že termická účinnost vratného stroje je maximální (důkaz) d. Formulace Carnotova principu 10. Roztažnost, rozpínavost a stlačitelnost a. Definice součinitele objemové izobarické roztažnosti b. Definice součinitele izochorické tlakové rozpínavosti c. Definice součinitele izotermické objemové stlačitelnosti d. Vztah mezi těmito součiniteli e. Objemová roztažnost plynů a pevných látek
11. Základní zákony ideálního plynu a. Zákon Gay-Lussacův b. Zákon Charlesův c. Zákon Boyleův-Mariotteův d. Ideální plyn jako aproximace reálného plynu (kdy aproximuje dobře reálný plyn, kdy již nelze použít, podstat aproximace – jak by se chovaly molekuly ideálního plynu) 12. Stavová rovnice ideálního plynu a. Stavová rovnice ve tvaru pv=rT jako důsledek zákonů ideálního plynu b. Avogadrův zákon c. Odvození stavové rovnice zohledňující látkové množství plynu d. Univerzální plynová konstanta 13. Tepelné kapacity ideálního plynu a. Závislost vnitřní energie na objemu plynu při konstantní teplotě b. Odvození vztahu dq=pdv+cvdT c. Mayerův vztah d. Závislost měrné vnitřní energie na teplotě, Boltzmannova konstanta, závislost cv a cp na teplotě e. Poissonova konstanta pro jedno, dvou a tříatomové plyny f. Mayerův vztah pro molární kapacity 14. Vratné děje v termodynamických diagramech a. Izotermy a adiabaty b. Proč se adiabaty nemohou protínat (důkaz) c. Vratný oběh složený ze dvou izoterm a adiabat – kvalitativní popis: kdy systém přijímá a odevzdává teplo, kdy se koná práce, kdy a proč se musí práce dodávat d. Postup idealizace reálného oběhu: nahrazení vratným procesem, nahrazení dějů několika základními ději 15. Carnotův oběh s ideálním plynem a. Popis adiabaty u ideálního plynu b. Popis izotermy u ideálního plynu c. Práce při adiabatickém ději ideálního plynu d. Práce při izotermickém ději ideálního plynu e. Termická účinnost Carnotova oběhu (odvození) f. Topný a chladicí faktor u obráceného Carnotova oběhu
16. Zavedení entropie a. Přivedené a odvedené teplo na 1kg látky (znaménková konvence) b. Rovnice, které splňuje přivedené a odvedené teplo u Carnotova oběhu c. Elementární Carnotův oběh „uvnitř“ obecného vratného oběhu d. Vztah ∮
pro libovolný vratný oběh (vysvětlení a odvození)
e. Definice entropie (vůči vybranému referenčnímu stavu), měrná entropie 17. Entropie a. Entropie ideálního plynu (odvození alespoň jedním způsobem) b. T-s diagram vratných dějů (izotermický, adiabatický, izobarický, izochorický) c. Práce a technická práce v T-s diagramu d. Vratný tepelný oběh v T-s diagramu 18. Polytropický děj u ideálního plynu a. Základní děje jako polytropický děj pro speciální n b. Základní vztahy pro polytropický děj (odvození) c. Práce a technická práce pro obecný polytropický děj (odvození) d. Zavedení tepelné kapacity cn e. Polytropický děj v T-s diagramu f. Entropie polytropického děje 19. Porovnávací oběhy s ideálním plynem a. Lenoirův, Ottův, Dieselův a Sabatův oběh v p-v a T-s diagramu. b. Definice bezrozměrných parametrů charakterizujících každý z těchto oběhů c. Změna termické účinnosti při změnách těchto parametrů (zda se zvyšuje či snižuje) d. Základní rozdíl mezi výbušným a rovnotlakým motorem z hlediska praktického využití ve spalovacích motorech
20. Porovnání (idealizovaného) výbušného a rovnotlakého oběhu a. Oběhy mají stejné kompresní poměry a stejné dodané teplo (odvození) b. Oběhy mají stejné maximální a minimální teploty a stejné dodané teplo (odvození) 21. Oběhy idealizující plynové turbíny a. Základní popis plynové turbíny, jednotlivé děje b. Ericssonův- Braytonův oběh – popis v p-v a T-s digramu, účinnost c. Technická práce turbíny a kompresoru (znázornění v diagramu h-s) 22. Stirlingův oběh a. Popis oběhu, vysvětlení jednotlivých dějů, výhody a využití b. Stanovení účinnosti při zohlednění regenerace (odvození) c. Stirlingův chladicí oběh – princip fungování a popis
23. Kompresory a. Popis kompresoru, vtlačovací práce b. Práce a technická práce kompresoru c. Energetické porovnání komprese po izotermě a adiabatě d. Dvoustupňový kompresor s mezichlazením (vysvětlení hlavního principu) 24. Směs ideálních plynů a. Daltonův zákon b. Míchání plynů o stejném tlaku a teplotě c. Objemové a hmotnostní podíly d. Měrný objem směsi e. Plynová konstanta směsi f. Směšování plynů o různých teplotách 25. Termodynamika proudícího plynu a. Energetická bilance proudícího plynu (vtlačovací práce, kontrolní objem) b. Směšování různě teplých proudů (zanedbání kinetické energie proudů) c. Změna rychlosti proudu (např. výtok z nádoby) d. Proudění ideálního plynu: vyjádření změny entalpie pomocí změny teploty, předpoklad adiabatického děje, tok do vakua (odvození) 26. Šíření tlakových rozruchů a. Vztah pro rychlost zvuku (základní idea odvození, popis předpokladů) b. Rychlost zvuku v ideálním plynu c. Závislost rychlosti zvuku v proudícím ideálním plynu na rychlosti proudu d. Kritická rychlost, kritický tlakový poměr 27. Stacionární (ustálené) proudění a. Rovnice kontinuity (odvození) b. Závislost rychlosti na hustotě a tlaku (silové působení elementů tekutiny) (základní idea odvození vztahu –wdw=vdp) c. Hugoniotův teorém 28. Urychlování proudu (dýza) a. Urychlení podkritického proudu b. Urychlení nadkritického proudu c. Přechod z podkritického do nadkritického proudění d. Lavalova dýza a Venturiho trubice (popis a porovnání)
29. Hmotnostní průtok dýzou a. Maximální tok hmoty při daných vstupních parametrech a konstantním průřezu na výtoku (hlavní idea odvození) b. Závislost toku hmoty na výstupním tlaku při daném výstupním průřezu (popis pro různé hodnoty tlaků, proč je průtok nulový při výtoku do vakua) c. Hmotnostní průtok Lavalovou dýzou při konstantním minimálním průřezu (opět kvalitativní popis a vysvětlení závislosti) 30. Změna protitlaku a rázová vlna a. Kvalitativní popis jevu, co je rázová vlna, jak postupuje b. Změna tlaku na čele rázové vlny v závislosti na toku hmoty a skoku rychlostí (odvození z Newtonova zákona) c. Vztah pro skok rychlostí na čele rázové vlny 31. Silový a energetický popis proudění a. Odvození energetické rovnice ze silového zákona: –wdw=vdp. b. Energetická rovnice pro případ nestlačitelné tekutiny a proudění bez výměny tepla (Bernoulliho rovnice) (odvození) c. Škrcení ideálního plynu d. Aerodynamický ohřev ideálního plynu 32. Reálné tekutiny a fázové změny a. Popis kondenzace v p-v diagramu: přehřátá pára, sytá pára, mokrá pára, sytá kapalina, nadkritická pára b. Popis kondenzace v T-s diagramu c. Termodynamická plocha pro látky, které zvyšují hustotu při tuhnutí d. Termodynamická plocha pro látky, které snižují hustotu při tuhnutí e. Průměty termodynamické plochy, trojný bod 33. Van der Waalsova stavová rovnice a. Korekce ve stavové rovnici ideálního plynu na konečný objem molekul a jejich silové působení (vysvětlení hlavních idejí) b. Van der Waalsova rovnice při konstantním tlaku jako rovnice 3. stupně c. Kritický bod a kritické hodnoty stavových veličin d. Izotermy van der Waalsovy rovnice, metastabilní stavy, Maxwellovo pravidlo 34. Fázové změny a. Změna skupenství a skupenské teplo b. Vypařování tekutiny – výrobní teplo c. Clapeyronova-Clausiusova rovnice (odvození) d. Změna teplota tání vody v závislosti na tlaku, fázový diagram vody
35. Škrcení reálnách tekutin a. Co je škrcení tekutiny (plynu) b. Joule-Thomsonův součinitel kJT c. Závislost kJT na změně měrného objemu podle teploty při konstantním tlaku (odvození) d. kJT pro ideální plyn (dosazení ze stavové rovnice)
e. Co se děje při škrcení pokud kJT >0 a kJT <0. 36. Parní oběhy s kondenzací a. Clausiův-Rankinův cyklus – popis a znázornění v T-s diagramu b. Účinnost tohoto cyklu, vysvětlení regenerace c. Chladicí oběh s expandérem a škrtícím ventilem (T-s diagram), topný a chladicí faktor 37. Vlhký vzduch a. Absolutní a relativní vlhkost, rosný bod b. Měrná vlhkost x, vyjádření x pomocí parciálního tlaku vodní páry a suchého vzduchu c. Měrné tepelné kapacity vody a výparná tepla v různých skupenstvích, měrná entalpie nasyceného vzduchu s kapalnou (tuhou) fází – základní idea 38. Sdílení tepla a. Typy sdílení tepla, základní charakteristiky a vysvětlení mechanismů přenosu tepelné energie b. Teplotní pole, Fourierův zákon vedení tepla c. Součinitel tepelné vodivosti, jeho řádové hodnoty pro vybrané materiály, závislost na teplotě. 39. Stacionární vedení tepla bez vnitřního zdroje – jednodimenzionální problém a. Tok tepla za sekundu rovinnou stěnou (odvození) b. Tok tepla za sekundu válcovou stěnou (odvození) c. Tok tepla za sekundu kulovou stěnou (odvození) 40. Prostup tepla a. Mechanismus přestupu tepla mezi stěnou a proudící tekutinou b. Newtonův empirický vztah pro přestup tepla, součinitel přestupu tepla (na čem může záviset), mezní vrstva c. Tok tepla za sekundu při prostupu tepla stěnou obklopenou proudící tekutinou, součinitel prostupu tepla k (odvození)
41. Rovnice vedení tepla a. Množství tepla, které přiteče za sekundu do elementárního hranolu (dQ=-div q dV dt) (odvození, vysvětlení) b. Vnitřní zdroj tepla (vydatnost) c. Odvození rovnice vedení tepla (Fourierova-Kirchhofova), součinitel teplotní vodivosti a. d. Rovnice vedení tepla v pohybujícím se prostředí a v pevném tělese (rozpis totálního diferenciálu dT na parciální derivace) 42. Stacionární vedení tepla s vnitřními zdroji a. Stacionární vedení tepla v rovinné stěně s vnitřními zdroji (závislost T(x) – odvození) b. Zahrnutí okrajových podmínek c. Nalezení takového vnitřního ohřevu, aby byl nulový tok tepla do desky z jedné strany (odvození) 43. Řešení rovnice vedení tepla a. Fourierova metoda (vysvětlení hlavních principů, vysvětlení separace časových a prostorových proměnných, role sinové a cosinové funkce, vysvětlení exponenciálního poklesu v čase) b. Řešení rovnice vedení tepla bez vnitřních zdrojů v 1D numericky pomocí diskretizace v prostorové a časové proměnné (vysvětlení diskretizace a nahrazení parciálních derivací algebraickými vztahy) 44. Proudění tepla a. Vysvětlení mechanismů přenosu tepla prouděním, konvekce přirozená a nucená, jak vzniká přirozená konvekce (příklady) b. Jaké termodynamické, mechanické a hydrodynamické rovnice by bylo nutné použít pro úplný popis přenosu tepla prouděním – podobnostní čísla. c. Vznik konvektivního proudění odspoda zahřívané tekutiny, ztráta stability a kvalitativní popis vzniklého proudění d. Přenos tepla tekutinou mezi dvěma vodorovnými deskami (odspoda zahřívané) – závislost na šířce štěrbiny, efektivní součinitel vedení tepla, na jakém bezrozměrném parametru závisí charakter přenosu tepla 45. Přestup tepla při konvekci a. Nusseltovo číslo Nu jako bezrozměrná forma Newtonova koeficientu přestupu tepla b. Přestup tepla při přirozené konvekci v neomezeném prostoru – svislá stěna: na jakých podobnostních číslech závisí Nu
c. Přestup tepla při nucené konvekci (obtékání desky): na jakých podobnostních číslech závisí Nu jak při laminárním tak při turbulentním proudění. d. Proudění tekutiny svislým potrubím: závislost tvaru rychlostního profilu na přívodu či odvodu tepla, rozdíl mezi laminárním a turbulentním prouděním 46. Výměníky tepla a. Základní typy výměníků b. Rozbor rekuperačního, souproudého výměníku: prostup tepla na teplotách T a T´ (v daném místě výměníku): kalorimetrická rovnice a vztah pro prostup tepla (odvození) c. Celkový průstup tepla, střední logaritmický teplotní spád 47. Sálání a. Teplo sdílené elektromagnetickým vlněním b. Rozdělení dopadající tepelné energie na těleso na odraženou , absorbovanou a procházející, parametry A, R, D c. Absolutně černé těleso a jeho možná realizace dutinou d. Monochromatická sálavost E a monochromatická sálavost dokonale černého tělesa E 48. Základní zákony sálání a. Planckův zákon b. Wienův zákon c. Stefanův-Boltzmannův zákon d. Rozdělení vyzařování tepelné energie do prostoru - Lambertův zákon 49. Šedé těleso a. Definice šedého tělesa, poměrná sálavost a poměrná pohltivost A b. Bilance ustálené výměny tepla mezi šedým a dokonale černým tělesem c. Kirchhoffův zákon 50. Výměna tepla sáláním a. Přenos tepla v ustáleném stavu mezi dvěma rovnoběžnými stěnami, složený součinitel sálání (odvození) b. Přenos tepla mezi plochou a plochou, která ji obklopuje – korekce součinitele sálání
c. Vliv stínících ploch
