2

Fizykochemiczne podstawy inżynieriiprocesowej

Wykład I - 1

Sprawy formalne

3

Sprawy formalne:

Forma: Wykład w postaci prezentacji komputerowych

Przeznaczenie: studenci II roku Studium inżynierskiego na Wydziale chemicznym i kierunku Inżynieria chemiczna i procesowa –oraz inni studenci Politechniki Wrocławskiej

Wymiar: 30 h/semester s. B-1 F-4

Czas i miejsce: PN 15.15 - 16.55 22/02 02/03SR 17.05 - 18.45 24/02

Nie ma zajec miedzy 07/03 – 29/03

Natepne terminy beda podane tutaj

Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej

4

Sprawy formalne cd.:

Obecność: nieobowiązkowa (sprawdzana)Obecność na wykładzie będzie premiowana dodatkowymi punktami przy ocenie egzaminu: brak nieobecności 5 pkt.,jedna nieobecność 3 pkt., dwie nieobecności 1 pkt.

Zaliczenie: Egzamin – w czasie sesjiEgzamin jest pisemny test wielokrotnego wyboru.

Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej

5

Sprawy formalne cd.:

Kontakt: p. 115 C-6, email: bogdan.kuchta@pwr.wroc.pl

Konsultacje:

Informacje internetowe:

www.prochembio.pwr.wroc.pl/studenci.html

Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej

6

Literatura zasadnicza1. S. Michałowski, K. Wańkowicz: Termodynamika procesowa.

WNT Warszawa 1999.

2. J. Szarawara: Termodynamika chemiczna stosowana. WNT Warszawa 1997.

3. E. Kalinowski: Termodynamika. Wyd. Polit. Wroc., Wrocław 1997.

4. S. R. Turns: Thermodynamics. Concepts and Applications. Cambridge University Press. Cambridge 2006.

5. https://www.academia.edu/11767578/THERMODYNAMICS_AN_ENGINEERING_APPROACH_8th_EDITION_2015

7

Literatura pomocnicza (uzupełniająca)

1. P. Atkins: Palec Galileusza. DW Rebis, Poznań 2005. (Rozdziały: 3 – Energia i 4 – Entropia)

2. B. Diu: Czy atomy naprawdę istnieją ? PIW, Warszawa 2000.

3. H. Buchowski, W. Ufnalski: Podstawy termodynamiki. WNT, Warszawa 1994.

4. D.R. Olander: General Thermodynamics. CRC Press. Boca Raton 2008.

9

Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej

Wykład I - 2

Podstawowe definicje i pojęcia termodynamiczne

10

Uwagi wstępneTermodynamika jest to dział fizyki zajmujący się zagadnieniamicieplno – mechanicznymi w skali makroskopowej.

Termo – zjawiska, zagadnieniacieplne związane z chaotycznymruchem cząsteczek materii

- dynamika – zjawiska, zagadnieniamechaniczne związane z uporządkowanymruchem makroskopowych zbiorów materii

11

Uwagi wstępne

Istnieje wiele różnych podziałów i klasyfikacji dotyczących termodynamiki. Dla naszych celów całą termodynamiką możemy podzielić na:• termodynamikę teoretyczną, którą nie będziemy się zajmować• termodynamikę praktyczną, w ramach której można wyodrębnić

termodynamikę techniczną często nazywaną techniką cieplnąi termodynamikę procesową.

Głównymi tematami termodynamiki technicznej są praktyczne zagadnienia związane z wzajemnymi przemianami energii cieplnej i mechanicznej.

Z kolei głównym obszarem zainteresowania termodynamiki procesowej są metody wyznaczania i obliczania właściwości termodynamicznych różnegorodzaju ośrodków. Właściwości te są niezbędne przy opisie różnegorodzaju procesów technologicznych.

12

Podstawowe pojęcia i definicje

Układ

OtoczenieMasa

Praca (energia mechaniczna)

Ciepło (energia cieplna)

Podstawowymi pojęciami termodynamicznymi są pojęcia układu i otoczenia.

Układ i otoczenie mogą wymieniać ze sobą energię i masę. Energia może być wymieniana na dwa sposoby:-jako ciepło, gdy wiąże się to

z przekazywaniem termicznym, - lub jako praca gdy energia jest

przekazywana mechanicznie w sposóbuporządkowany

13

Przykład układu termodynamicznego:cylinder w silniku spalinowym

14

RELACJE UKŁADU Z OTOCZENIEM

W zależności od istnienia lub braku wymiany z otoczeniem układ określa się jako:

•adiabatyczny – gdy nie ma wymiany ciepła

•w kontakcie termicznym – gdy wymiana ciepła jest obecna

•izolowany mechanicznie – gdy praca nie jest wykonywana

•w kontakcie mechanicznym – gdy praca jest wykonywana

•zamknięty – gdy nie ma wymiany masy

•otwarty – gdy wymiana masy się odbywa

15

RÓWNOWAGA TERMODYNAMICZNA

Ze stanem równowagi mamy do czynienia wtedy, gdy występujądwie wzajemnie przeciwstawne tendencje, które się równoważą.

Pojęcie równowagi jest stosowane w różnych dziedzinach nauki.Przykładowo w ekonomii ważnym pojęciem jest równowaga rynkowapolegająca na równoważeniu się podaży i popytu określonego towaru.W naukach ścisłych i technicznych zagadnienie równowagi występuje stosunkowo często. Najważniejsze rodzaje równowag to:

1. Równowaga mechaniczna polegająca na zrównoważeniu sił.2. Równowaga termiczna polegająca na zrównoważeniu temperatur.3. Równowaga chemiczna polegająca na zrównoważeniu szybkości

reakcji chemicznych.

16

RÓWNOWAGA TERMODYNAMICZNA

Układ który jest w stanie równowagi cechuje się stałością w czasie parametrów opisujących jego stan. Oznacza to że nie zachodzą w nim żadne makroskopowe zmiany. Stan równowagi nie oznaczaże w układzie nic się nie dzieje. Oznacza tylko tyle że procesyzachodzące w układzie nie dają efektów makroskopowych.Czasami (dosyć często) równowaga definiowana jest jako stan,w którym parametry makroskopowe są stałe w czasie. Jest to definicja równoważna gdyż stałość parametrów wynika ze zrównoważenia przeciwstawnych tendencji.

Szczególną rolę odgrywa pojęcie równowagi termodynamicznej,która zachodzi wtedy gdy występują jednocześnie równowagi: mechaniczna, termiczna i chemiczna. Równoważna definicja tejrównowagi mówi że występuje ona wtedy gdy parametry termodynamiczne opisujące dany układ termodynamiczny są stałe w czasie co występuje wtedy, gdy dany układ jest pozostawionysobie przez czas dostatecznie długi.

17

STAN UKŁADU I PRZEMIANA TERMODYNAMICZNA

Stan układu termodynamicznego opisuje szereg wielkości fizycznych nazywanych parametrami lub funkcjami stanu.

Jeżeli układ zmienia swój stan, to mówimy że odbywa się przemianatermodynamiczna

Stan 1

Stan 2Przemiana

18

STAN UKŁADU I PRZEMIANA TERMODYNAMICZNA

Przykładem przemiany termodynamicznej może być processprężania gazu w cylindrze silnika spalinowego:

19

STAN UKŁADU I PRZEMIANA TERMODYNAMICZNA

Przemiany termodynamiczne możemy podzieć na:

1. Wymuszone, gdy są one spowodowane czynnikami zewnętrznymi,

2. Samoistne (spontaniczne), gdy odbywają się bez udziałuczynników zewnętrznych. Przemiany samoistne mogą się odbywać tylko wtedy, gdyukład nie jest w stanie równowagi termodynamicznej.Układ w stanie równowagi termodynamicznej może ulecprzemianie tylko na skutek działania czynników zewnętrznych.

20

STAN UKŁADU I PRZEMIANA TERMODYNAMICZNA

Przemianę termodynamiczną charakteryzują:

a) przyrosty parametrów stanu

b) wielkości opisujące wymianę między układem a otoczeniem(parametry przemiany)

21

WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I INTENSYWNE

)()()( 21 XXX

Wielkości termodynamiczne (zarówno parametry stanu jak i wielkościopisujące przemiany) dzielą się na dwie ważne grupy:

• Wielkości ekstensywne – wielkości X spełniające następujące własności:1° - są określone na zbiorach przestrzennych – mają charakter globalny2° - są addytywne (bilansowalne) tzn. spełniają relację

21 1

2

3° - są jednorodne ze względu na masę substancji zawartej w układzie

)()( mXmX 0

W przypadku gdy opisujemy wielkość intensywną układutermodynamicznego będącego zbiorem przestrzennym Ωzakłada się że:- albo dana wielkość x jest taka sama w każdym punkciezbioru Ω (tzw. doskonałe wymieszanie),- albo też dla całego zbioru określa się wartość średnią:

22

WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I INTENSYWNE

MMfx )(

Wielkości intensywne – wielkości x spełniające następujące własności:

1° - są określone dla punktów przestrzennych – mają charakterlokalny

dVMxV

x

)(

)(

1)(

23

WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I INTENSYWNE

3° - nie zależą od masy substancji zawartej w układzie

( ) ( )x m x m 0

1 2( ) ( ) ( )x x x

2° - nie są addytywne (bilansowalne) tzn.:

24

WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I INTENSYWNE

Iloraz dwu wielkości ekstensywnych zawsze jest wielkością intensywną !

)()(

)(

2

1

x

X

X

Iloraz lub iloczyn dwu wielkości intensywnych pozostaje zawsze wielkościąintensywną !

3

2

1321 lub x

x

xxxx

25

WIELKOŚCI MIERZALNE I KONCEPTUALNE

Inny podział wielkości termodynamicznych wiąże się z możliwością ich eksperymentalnego pomiaru. Zgodnie z tym podziałem mamy wielkości mierzalne i konceptualne.

Wielkości mierzalne to takie, które możemy bezpośrednio z odpo-wiednią dokładnością zmierzyć za pomącą odpowiednich przyrządówpomiarowych. Mierzalne są np. temperatura, ciśnienie i objętość.

Wielkości konceptualne to takie dla których określenia koniecznajest pewna procedura zawierająca różne założenia i konwencje.Konceptualne są takie wielkości jak energia wewnętrzna, entropiaczy fugatywność.

26

PARAMETRY STANU

1. Temperatura – T, [K] – parametr intensywny, wielkość mierzalnaTemperatura jest to podstawowy parametr stanu określający zdolność układudo przekazywania ciepła czyli energii chaotycznego ruchu cząsteczek.

2. Ciśnienie – p, [Pa] – parametr intensywny, wielkość mierzalnaCiśnienie jest to drugi podstawowy parametr stanu określający zdolność układudo wykonywania pracy tzn. do przekazywania energii na sposób mechaniczny.

3. Objętość – V, [m3] – parametr ekstensywny, wielkość mierzalnaObjętość układu jest określona przez objętość przestrzeni zajmowanej przez układ.

27

PARAMETRY STANU

4. Energia wewnętrzna – U, [J] – parametr ekstensywny, wielkość konceptualna.

Energia wewnętrzna jest to całkowita energia zawarta w układzie pomniejszona o jego energię kinetyczną związaną z ruchem i potencjalną związaną z położeniem całego układu.

)( pkc EEEU

28

PARAMETRY STANU

W skład energii wewnętrznej wchodzą m.in.:

- sumaryczna energia kinetyczna wszelkich chaotycznych ruchów poszczególnych cząsteczek i atomów,

- sumaryczna energia stanów elektronowych wszystkich cząsteczek i atomów,

- sumaryczna energia potencjalna oddziaływań między wszystkimi cząsteczkami i atomami,

- sumaryczna energia jądrowa związana z możliwością przebiegu reakcji jądrowych.

29

PARAMETRY STANU

5. Entalpia – H, [J] – parametr ekstensywny, wielkość konceptualna.

Entalpia jest pomocniczą wielkością energetyczną układu zaproponowaną przezGibbsa, której definicja jest następująca:

pVUH

30

PARAMETRY STANU cd.

T

QdS

6. Entropia – S, [J/K] – parametr ekstensywny

Entropia jest to fundamentalny parametr termodynamiczny wprowadzony

przez Clausiusa. Entropia ma dwie interpretacje. Klasyczna definicja Clausiusa określa zmianę entropii w różniczkowej przemianie odwracalnej:

Q - elementarne ciepło wymienione podczasprzemiany różniczkowej

31

Rudolf Clausius 1822 - 1888

32

PARAMETRY STANU cd.

Druga definicja entropii zaproponowana przez Boltzmanna wiąże się ze statystycznym rozkładem poziomów energetycznych cząstek zawartych w układzie. Popularnie, aczkolwiek nie całkiem ściśle, entropia jest określanajako miara nieuporządkowania (chaosu) w układzie.

)ln( EkS

- liczba dostępnych mikrostanów na które może się rozkładaćenergia wewnętrzna układu

E

K

Jk 231038065.1 - stała Boltzmanna

33

PARAMETRY STANU cd.

Ludwig Boltzmann 1844 - 1906

34

PARAMETRY STANU cd.

Słynny wzór definiującyentropię został wyrytyna jego nagrobku nacmentarzu w Wiedniu

35

PARAMETRY STANU cd.

TSUA

7. Energia swobodna – A, [J] – parametr ekstensywny

Energia swobodna, nazywana też energią Helmholtzajest to pochodna wielkość energetyczna określona wzorem:

36

PARAMETRY STANU cd.

Herman von Helmholtz 1821 - 1894

37

PARAMETRY STANU cd.

8. Entalpia swobodna – G, [J] – parametr ekstensywny

Entalpia swobodna, nazywana też energią Gibbsa jest to

pochodna wielkość energetyczna określona wzorem:

TSHG

38

PARAMETRY STANU cd.

Willard Gibbs 1839 - 1903