FSI VUT v Brně, Energetický ústav Odbor termomechaniky a techniky prostředí prof. Ing. Milan Pavelek, CSc.
TERMOMECHANIKA 1. Základní pojmy OSNOVA 1. KAPITOLY ● ● ● ● ●
Termodynamická soustava Energie, teplo, práce Stavy látek Stavové veličiny Hlavní úlohy technické termodynamiky
FSI VUT v Brně
1
TERMODYNAMICKÁ SOUSTAVA TERMODYNAMICKÁ SOUSTAVA je souhrn látek účelně omezený vůči okolí kontrolní plochou
Kontrolní plocha
OKOLÍ
Q ROZLIŠUJEME SOUSTAVU Soustava ● Uzavřenou - hmotnost procházející E, U kontrolní plochou je nulová T, p, V Otevřenou - hmotnost procházející kontrolní plochou je nenulová A ● Izolovanou - kontrolní plocha zamezuje výměně tepla Q s okolím Neizolovanou - kontrolní plocha nezamezuje výměně tepla Q s okolím ● Homogenní - Heterogenní ROVNOVÁHA SOUSTAVY ● Mechanická - síly působící v soustavě a v okolí jsou v rovnováze ● Tepelná - nedochází k přenosu tepla v soustavě ani s okolím ● Chemická - chemické složení soustavy se nemění 2
ENERGIE, TEPLO, PRÁCE ENERGIE E [J] je schopnost soustavy konat práci (fyzikální, chemické či jiné změny). Energie je stavová veličina. Rozlišujeme energii mechan., tepel., elektr., magnet., chemic., jader… 1 kcal = 4,1868 kJ 1 kWh = 3600 kJ 1 kpm = 9,80665 J 1 BTU = 1055,04 J
Kontrolní plocha
OKOLÍ
Soustava
Q
E, U T, p, V…
VNITŘNÍ ENERGIE U [J] = tepelná energie je energie neuspořádaného pohybu částic
A
TEPLO Q [J] je forma přenosu energie mezi soustavou a okolím - není stavovou veličinou. Pro předávané teplo platí kalorimetrická rovnice
Q12 m c T2 T1
m [kg] je hmotnost, T [K] jsou teploty, c [J.kg-1.K-1] je měrná tepelná kapacita ( u plynů rozlišujeme cp a cv ). PRÁCE A [J] je forma přenosu energie - není stavovou veličinou. Práce je dána sílou působící po dráze.
3
STAVY LÁTEK STAVY LÁTEK jsou dány stavovými veličinami. Množiny stavů s kontinuálně se měnící hustotou se označují jako skupenství nebo také fáze. ROZLIŠUJEME SKUPENSTVÍ ● Pevné - pevné látky ● Kapalné - kapaliny ● Plynné - plyny (a páry) a další
MLHA - drobné kapičky kapaliny (nejedná se o páru)
ROZLIŠUJEME PLYNY ● Ideální (dokonalé) - hmotné body, dokonale elastické, které mají nulový objem, nepůsobí na sebe přitažlivými silami a jsou v neustálém neuspořádaném pohybu - řídí se zákony ideálních plynů ● Nedokonalé - řídí se přibližně zákony ideálních plynů ● Reálné (především páry) - neřídí se zákony ideálních plynů
4
STAVOVÉ VELIČINY - 1 STAVOVÉ VELIČINY určují stav soustavy Rozlišujeme: a) STAVOVÉ VELIČINY MĚŘITELNÉ ● Tlak p [Pa] (absolutní, relativní) p= dF/dS ● Teplota T [K], t [°C], T = t + 273,15 Nultý zákon termodynamiky Je-li TA=TC a TB=TC, TA=TB (Při měření je nutná tepelná rovnováha)
p
Soustava
OKOLÍ
Q
E, U T, p, V… A
I pI
ppr I
pa
pref ppo II II pII
0
Kontrolní plocha
0
● Objem V [m3] ● Měrný objem v [m3.kg-1] v=V/m (Měrné veličiny jsou vztaženy na 1 kg) ● Hustota [kg.m-3], =m/V=1/v ● Hmotnost m [kg] ● Látkové množství n [mol, kmol] 5
STAVOVÉ VELIČINY - 2 b) STAVOVÉ FUNKCE počítané z měřitelných stavových veličin Vnitřní energie U, entalpie H, entropie S … c) FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI Měrná tepelná kapacita c, součinitel tepelné vodivosti , teplotní vodivosti a, kinematická viskozita …
c
Fyzikální vlastnosti jsou pro: ● ideální plyny f (druhu látky) = konst ● nedokonalé plyny f (druhu látky, T) ● reálné plyny f (druhu látky, T, p)
c = f(T)
cstř T1
T2
Příklad měření teplot vzduchu termovizí
T
U nedokonalých plynů používáme střední integrální hodnoty vlastností
cstř
1 T2 c T dT T 2 T1 T1
6
STAVOVÉ VELIČINY - 3 Měrná tepelná kapacita suchého vzduchu cp jako funkce teploty a tlaku
7
HLAVNÍ ÚLOHY TECHNICKÉ TERMODYNAMIKY Technická termodynamika je zaměřena především na plyny, páry (kapaliny), které jsou pracovními látkami tepelných motorů, tepelných pracovních strojů a dalších tepelných systémů. Hlavní úkoly termodynamiky jsou:
Proudový motor
Zdroj: InfraTec
● Určování stavů látek - ze stavových rovnic, diagramů, tabulek … ● Řešení termodynamických dějů (teoretických i reálných) - z rovnic změn stavů. Integrály veličin při dějích jsou následující: Pro veličiny 2 2 Pro stavové závislé na cestě dz z 2 z 1 dω ω 12 veličiny z 1 změny stavu 1 ● Řešení termodynamických cyklů (posloupnosti termodynamických dějů, po jejichž vykonání se soustava dostane do výchozího stavu). Integrály veličin při vykonání cyklu jsou následující: Pro veličiny Pro stavové dω ωO dz 0 závislé na cestě veličiny z 8
