SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1

PARATHËNIE Perfeksionimi i sistemeve të ajrit të kondicionuar (A/C) të automjeteve është vazhdimisht në hulumtim nga stafet e teknikëve dhe inxhinierëve, si nevojë për një kuptim më të plotë të tyre si subjekte të teknologjisë në zhvillim. Tekset e hedhura në treg, përmbajnë shumë kontribute nga prodhuesit e vendeve perëndimore, ekziston mjaft literaturë, e cila ofron mbulim të plotë të njohurive, por problemi konsiston në përmirësime të mëtejshme. Kërkohet një kombinim i presionit të politikave globale ndaj prodhuesve të automjeteve për të reduktuar emetimin e derivateve të dëmshme nga këto gaze (R-134-a) dhe për të siguruar një katalizator për ndryshime në teknologji. Kërkimet për sisteme A/C me fluide ftohës alternative si CO2 dhe sisteme të tjera alternative A/C, kanë vazhduar për vite të tëra në industrinë e automjeteve duke sjellë përmirësime progresive të gazit R-134-a dhe duke përçuar më tej teknologjinë për zëvendësues të njohur të këtyre gazeve. Në këto programe parashikohet që gjatë viteve të ardhshme teknologjia e sistemeve A/C të zhvendoset në sisteme të mbyllura dhe procedurat e çertifikimit të teknikëve të ndryshohet rrënjësisht. Ky tekst është nevojë e përmirësimit të dijeve dhe shpresojmë t’i ofrojmë lexuesit njohuri të plota moderne për kohën e tanishme të sistemeve A/C, fluidet ftohës dhe sistemet e reja të mundshme, si zëvendësim me gaz CO2. Libri është kryesisht përmbledhje e teknologjive. Në brendësi të librit ka gjithashtu përmbledhje të njohurive të sistemeve funksionale elektronike me sensorë të shumëllojshëm të kohëve të fundit, procedurat e testit, duke përdorur aparate, skanera, oshiloskop dhe informacion shtesë per leximin e diagramave. Informacioni mbi instalimet elektrike moderne janë aplikuar për studime në pjesë të veçanta në bazë të tipit të prodhimit. Është e domosdoshme që teknikët e sistemeve A/C të kenë njohuri të plota të kontrollit të skemave elektronike të automjeteve, për të mundësuar riparimin me sukses të sistemeve të ngrohjes, ventilimit dhe ajrit të kondicionuar (HVAC) në to. Ky libër paraqet një nivel të mbulimit të njohurive që i ofrohet lexuesit në kuptimin tërësor të sistemeve. Shpresojmë që të kualifikojë më tej teknikët, për përfitimin e njohurive të plota në kontrollin automatik të klimës.

HISTORIA E ZHVILLIMIT TË AJRIT TË KONDICIONUAR Historitë e hershme të sistemit të transportit fillojnë me kalë që tërheq një kaloshinë. Kjo mënyrë tërheqje u tejkalua me zëvendësimin e shpikjes të automobilit. Automobili kishte hapësira të nevojshme në kabinën e tij, kjo do të thotë se hapësira brenda tij mund të rregullohej në funksion të kushteve që lejojnë hapësirat jashtë. Mbyllja e kabinave realizoi dhe shkëputjen nga ndryshimet e motit dhe u kërkua ventilim, ngrohje, ftohje për të përmbushur kërkesat e pasagjerëve gjatë udhëtimit.

Sistemi i ngrohjes me tulla balte të nxehta nga sistemi i shkarkimit të automobilit në hapësirat e brendshme nuk ishte aspak komod. Ventilimi i hapësirave të brendshme të automobilit arrihej përmes hapjes së dritareve trekëndore ose xhamave segmentalë, që ishin shtuar në dyert për përmirësimin e qarkullimit të ajrit dhe panelet e sipërme, ekuivalente me rrjedhën e sotme të ajrit. Kontrolli i fluksit të rrymës së ajrit ishte i vështirë, sepse varej nga shpejtësia e automobilit dhe ndonjëherë lejonte që të depërtonte ajër i ndotur, që përmbante tymin që hynte në hapësirën e brendshme të sallonit të tij. Ftohja e motorit ishte shumë e thjeshtë sa që dhe një bllok akulli brenda sallonit të automobilit mund të shkrihej! Përfundimisht një tërësi pengesash konstruktive u tejkaluan, duke përfshirë instalimin e motoreve elektrike si bazë për lëvizjen e ajrit, të xhamave, të ventilimit, rrjedhjen e ujit të nxehtë nga motori, për të ndryshuar këmbimin e nxehtësisë sipas dëshirës. U fut në përdorim ngrohja nga sistemi i shkarkimit të gazeve. Sistemi i ftohjes së motorit u përshtat si burim i ngrohjes së hapësirave të brendshme të mjetit. Sistemet e hershme të ftohjes së motorit ishin dhe burim ftohje për avulluesin (kondensuesin). Kjo përbëhej nga një kuti ose cilindër që fiksohej tek dritarja e marrjes së automobilit. Kjo njësi lejonte ajrin që hynte gjatë udhëtimit të freskohej nëpërmjet njomjes me ujë nga një grilë rrjete teli brenda hapësirës. Uji do të zhduket për shkak të thithjes së nxehtësisë nga ajri që hyn dhe qarkullon në brendësi të automobilit gjatë udhëtimit. Këtu në brendësi u mbajt edhe një njësi rezervë që duhej të siguronte

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

1

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1 vazhdimisht lagështi, kur nuk do të hyjë ajër i freskët, ndryshe nga njësia bazë. Automobili do të jetë i fresket nëse lagështia relative e ajrit hyn në njësi me presion të ulët. Nëse lagështia relative e ajrit është e lartë, atëhere uji nuk mund të avullonte. Kjo njësi gjatë punës efektive do të largojë avujt e ftohtë të ngopur me ujë në brendësi të mjetit. Kjo metodë është me të vërtetë e efektshme në vende me lagështi shumë të ulët. Kapaciteti ftohës i sistemeve të ftohjes është përcaktuar shpesh me njësinë e quajtur ton ngrirje. Përkufizimi më i shpeshtë për këtë njësi është: 1 ton ngrirje është norma e largimit të nxehtësisë së nevojshme për të ngrirë 1 ton ujë (dmth 2000 pound) në 32°F në 24 orë. Bazuar në nxehtësinë për shkrirjen e 1 kg ujë kërkohet 144 BTU, për 1 ton akull të ngrirë = 12.000 BTU/h = 12.660 kJ/h = 3.517 kW. Një përkufizim më pak i zakonshëm është: 1 ton ftohje është shkalla e largimit të nxehtësisë së kërkuar për ngrirjen e një ton-metrikë ujë (dmth 1000 kg) në 0°C në 24 orë. Bazuar në nxehtësinë për shkrirjen e 1 kg ujë duhet 334.9 kJ / kg, 1 ton ftohje = 13.954 kJ/h= 3.876 kW. Si mund të shihet, 1 ton ftohje është 10% më i madh se 1 ton ngrirje. Kapacitetet ftohëse të sistemeve A/C të kondicionerëve të fuqishëm klasifikohen shpesh në lidhje me ton ngrirje. Një ton ngrirje është përafërsisht i barabartë me fuqinë e ngrohjes së 1 ton akull (2000 pound ose 907 kilogram) që shkrin në një periudhë kohe për 24 orë. Kjo vlerë është përcaktuar si 12.000 BTU-s në orë, ose 3.517 wat. Shënim: BTU (British Thermal Unit) - Njësi nxehtësie angleze – shpreh sasinë e nevojshme për t`i rritur me 1°F nxehtësinë e 1 £ ujë; 1 £ = 1 pound (libra lbs) = 0.453592 kg = 16 oz (inç). Sistemet A/C në qendrat e banimit janë zakonisht nga 1÷5 ton (3-20 kW) kapacitet. Përdorimi i ajrit të kondicionuar ushtron një kërkesë të madhe ndaj rrjetit të energjisë elektrike në mot të nxehtë, kur njësitë operojnë nën ngarkesa të mëdha. Një meta-analizë në studimin e shërbimeve të ndryshme rezultoi në përfundim, se mesatarisht sistemet A/C humbasin deri në 40% të inputit të energjisë. Kjo energji humbet në formën e nxehtësisë, e cila duhet të nxirret jashtë. Në një automobil, sistemi A/C, do të përdorë rreth 5 kuaj-fuqi (4 kW) të fuqisë së motorit. Disa njësi ftohje mund të kenë faza të shumta, që kërkojnë përdorimin e kompresorëve në rregjime të ndryshme. FLUIDET FTOHËSE Fluidet ftohëse (refrigerante, antipiretikë) që përdoren në pajisjet që shërbejnë për mbajtjen e ushqimeve të ngrira në banesa familjare janë R-600-a, R-134-a. Shoqëritë tregtare, në dyqanet me pakicë, për pajisjet që mbajnë ushqime të ngrira dhe të freskëta, aplikojnë gazet ftohës si R-134-a, R-404A, R-507. Përpunimi i ushqimeve e ruajtja në pajisje të ftohta magazinimi nga burimet e pëpikta të shpërndarjes me shumicë bëhet në pajisje që përdoren fluidet ftohëse R-123, R-134-a, R-407C, R-410A, R-507. Pajisjet ftohëse industriale të mëdha, zakonisht 25-30 MW kW, që përdoren për përpunime kimike, magazinim të ftohtë, përpunim ushqimi, ndërtim të sistemeve qendrore të ngrohje-ftohjes përdorin R-123, R-134-a, R-404A, R-407C, R-507, R-717. Pajisjet ftohëse në mjetet e transportit, për të ruajtur kryesisht mallrat ushqimore gjatë transportit rrugor, hekurudhor, ajror dhe detar përdorin gazin ftohës R-134-a, R-407C, R-410A. Për ftohjen e aparaturave elektronike në temperatura të ulta nëpërmjet rrymave qarkulluese të ajrit për CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor – pajisje për të konstruktuar qarqet e integruara. Përdoren te mikroprocesorët, kontrolluesit, RAM – memorje e përkohshme, qarqet llogjike dixhitale, sensorë imazhesh, konvertues të dhënash) dhe komponente të tjera të kompjuterave të mëdhenj dhe serverat e tyre aplikohet gazi ftohës R-134-a, R-404A, R-507. Në ngrirjet mjekësore përdorin gazin R-134- a, R-404A, R-507 si dhe gazin ftohës Etilen Cryogenic Helium. RAPORTI I EFIKASITETIT SEZONAL TË ENERGJISË Raporti i efikasitetit sezonal të energjisë për shtëpitë e banimit, në disa vende është vendosur nga kërkesat minimale për efikasitetin e energjisë. Efikasiteti i kondicionimit është shpesh (por jo gjithmonë) i vlerësuar nga raporti i efikasitetit sezonal i energjisë (ESE) i matur me njësinë matëse, sheh. Sa më i lartë vlerësimi sheh, aq më shumë efikas në përdorimin e energjisë është kondicioneri.

Për matjen e energjisë së nxehtësisë aplikohet njësia joule. Këto përfshijnë kaloritë dhe njësitë

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

2

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1 BTU. Industria e ftohjes ka kohë që e përdor përcaktimin e BTU. Kështu psh një kondicioner prej 6000 BTU është një pajisje që jep 6000 BTU nxehtësi në orë. Një pajisje më e madhe prej 12000 BTU quhet pajisje 1 Ton. Vlerësimi i sheh është BTU e prodhimit të ftohjes gjatë përdorimit normal të saj vjetor pjestuar me inputet totale të energjisë elektrike në vat-orë (W•h) gjatë të njëjtës periudhë. 1sasi BTU është ndryshimi i ngrohjes të 1 £ uji në temperaturë 1°F: ESE = BTU ÷ (W•h) Kjo gjithashtu mund të rishkruhet si: ESE = (BTU/h) ÷ W ku "W" është fuqia mesatare elektrike në Wat, dhe BTU/h është fuqia e vlerësuar e ftohjes. Për shembull, një BTU/h-5000 me ajër të kondicionuar me sheh-10 njësi, do të konsumojë 5000/10 = 500 wat të fuqisë mesatare. Sheh është e lidhur me koeficientin e performancës (COP) që përdoret zakonisht në termodinamikë dhe gjithashtu me raportin e eficiencës të energjisë (EER). EER është vlerësimi i efikasitetit për pajisjet në raste të veçanta të temperaturave të jashtme dhe të brendshme, ndërkohë që sheh është llogaritur mbi një gamë të tërë të temperaturave të jashtme (dmth shpërndarjen e temperaturës për pozicione gjeografike të testit të sheh). Sheh është i pazakontë në atë që është e përbërë nga një njësi kryesore e ndarë nga njësia SI. COP është një raport me të njëjtën njësi metrike të energjisë (jaul) në të dy anët e thyeses; numërues - emërues. Ata jane anuluar, duke lënë tregues pa parameter. Formulat për konvertimin e përafërt midis ESE, EER dhe COP janë vënë në dispozicion nga Gas Paqësor dhe Electric Company. (1) sheh = EER ÷ 0,9 (2) sheh = COP • 3,792 (3) EER = COP • 3,413

Grafiku 1: Varësia nga temperatura dhe BTU e gjendjeve të lëndës Një keqkuptim i zakonshëm është se sistemi sheh i vlerësimit vlen edhe për sistemet e ngrohjes. Megjithatë, vlerësimet sheh zbatohen vetëm për ajër të kondicionuar. Kondicionerët ajrorë (për ftohje) dhe pompat e ngrohjes (për ngrohje), punojnë në mënyrë të ngjashme në atë që i ngrohti transferohet apo "pompohet" nga një burim i ngrohtë në një burim të ftohtë. Kondicionerët ajrorë dhe pompat e ngrohjes operojnë zakonisht më së miri në temperatura rreth 10-13°C (50-55°F gradë Fahrenheit). Një pikë e bilancit arrihet kur temperatura e burimit të ngrohjes bie nën rreth 4°C (40°F) dhe sistemi nuk është në gjendje për të tërhequr më nxehtesi nga burimi i ngrohjes. Në këtë pikë ndryshon një pompë nxehtesie. Në mënyrë të ngjashme, kur temperatura e pajisjes së ngrohjes rritet në rreth 49°C (120°F), sistemi do të funksionojë në mënyrë më pak efektive dhe nuk do të jetë në gjendje të "shtyjë" jashtë më shumë nxehtësi. KOEFICIENTI I PERFORMANCËS COP COP ose koeficienti i performancës është një mënyrë për të përshkruar efektivitetin e pompës së nxehtësisë. COP është raporti i nxehtësisë së përfituar pjestuar me sasinë e energjisë së harxhuar për të vënë në punë sistemin. COP llogaritet duke pjestuar kapacitetin total të nxehtësisë të siguruar nga pompa e nxehtësisë, që përfshin dhe energjinë e harxhuar të ventilatorit në punë, por që përjashton energjinë suplementare të rezistencave (BTU për orë), me energjinë totale të harxhuar (watt) x 3.412. COP për pompa nxehtësie me burim nxehje ajrin për kondita optimale normale është 3 me 1. Me

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

3

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1 fjalë të tjera për çdo lek të harxhuar energjie ju të mermi 3 lekë vlerë fitim të energjisë. Megjithatë kushtet nuk janë gjithnjë në optimum. Kur bie temperatura e jashtme, po ashtu bie edhe COP. Për COP 2:1, do të merret dyfishi i prodhimit të nxehtësisë e krahasuar me energjinë e harxhuar nga puna e sistemit ftohës ku përfshihet edhe energjia e harxhuar për nxehje me rezistencë elektrike. Nuk ka rëndësi se sa ftohtë është jashtë, COP e një pompe nxehtësie me burim ngrohje ambientin përreth nuk shkon më keq se 1:1. Duhet patur kujdes që, kur nuk ka leverdi përfitimi i energjisë, nuk është nevoja të përdoren pompat e shtrenjta të nxehtësisë, por mund të përdoren mënyra të tjera. Sasia vjetore e energjisë së kursyer që përfitohet nga një pompë nxehtësie është rezultat i shumës totale të të gjithë COP individuale që sistemi arrin gjatë gjithë sezoneve të përdorimit. Shumica e energjisë së kursyer arrihet kur kemi sezon të ngrohtë, kur kërkohet pak energji nga ana e sistemit, por rëndësi të dorës së parë ka efektiviteti energjitik i pompës së nxehtësisë. POMPAT E NXEHTËSISË ME BURIME NXEHTËSIE TË UJIT DHE TË TERRENIT Është e mundur të përfitohet nxehtësi nga terreni apo uji me pompat e nxehtësisë. Në vendet e ftohta, në të shumtën e kohës temperaturat e terrenit dhe të ujit janë më të larta se sa temperaturat e ajrit jashtë në dimër. Kështu, pompat e nxehtësisë janë shumë të përshtatshme për t'u përdorur si burime nxehtësie. Psh mund të jetë një stuhi e fortë bore, ku temperatura e ajrit arrin në -18°C, ndërsa temperatura e terrenit në thellësinë 2 m mund të jetë 4°C. Pra, mund të shfrytëzohet nxehtësia që ka terreni në thellësi si burim nxehtësie ose temperatura e ulët e ujit të liqeneve, puseve që qarkullon në rastin e freskimit. Këto sisteme mekanike janë shumë më të komplikuara se sa pompat e nxehtësisë me burime të ajrit dhe në këto raste COP mund të arrijë 4:1 ose më shumë, por ka kosto të lartë të instalimit, mirëmbajtje të kushtueshme dhe kosto të lartë riparimi. Të gjitha këto duhet të merret në konsideratë me kujdes duke pasur parasysh kursimet e pritshme në përfitimin e energjisë. KËRKESAT TEK SHPËRNDARJA E AJRIT Është e rëndësishme që shpërndarja e ajrit që bën freskimin e kondensuesit dhe sasia e këtij ajri të jenë të tillë që të kënaqin kërkesat e rrjedhjes së fluidit nëpër serpentinat kur është në regjimin e kondensimit. Sasia e ajrit të nevojshëm është rreth 8 m3/minutë për ton nxehtësi për sistemet A/C dhe 8.5 m3/minutë për ton nxehtësi për sistemet e pompave të nxehtësisë Kondensuesit punojnë në kushte të vështira kur sasia dhe shpërndarja e ajrit që fryhet është e papërshtatshme. Ato shkaktojnë presione të larta në hyrje, që çojnë kompresorin në shkatërrim.

PËRSHTATJA E SISTEMEVE TË KONDICIONIMIT NË DITET E SOTME Kjo vlen veçanërisht për qytetet dhe zonat e urbanizuara në pjesë të nxehta të botës, ku shumica e popullsisë në rritje jeton në banesa të larta me kubatura të vogla. Japonezët i kanë kondicionerët e ajrit prodhime vendase dhe zakonisht i kanë të instaluar në dritare ose tipa me paketa termale, të cilat janë më moderne dhe të shtrenjta. Në Izrael, praktikisht përdoren në banesa të gjitha llojet e klasifikuara të sistemeve A/C. Në SHBA, sistemet A/C për shtëpi janë më të përhapur në Jug/Jugperëndim dhe në Bregdetin Lindor. Por, më të zakonshme në SHBA janë sistemet qëndrore të A/C edhe si faktor konstant në standardet e projektimit. Në Kanada, në shtëpitë, ajri i kondicionuar është më pak i zakonshëm se në Azinë Lindore dhe SHBA, por megjithatë mjaft i përhapur. Kjo është veçanërisht e vërtetë në rajonet e Liqeneve të Mëdha, në Ontario dhe Quebekun Jugor, ku ka nivele veçanërisht të larta të lagështisë. Ndërsa dritaret dhe njësitë ndarëse janë të zakonshme në këto rajone, sistemet qëndrore të ajrit janë më të përhapura në Kanadanë Perëndimore. Në shtëpitë perëndimore kanadeze janë ndërtuar tashmë sisteme qëndrore të ajrit, me gaz natyror për ngrohje të detyruara e kompatibile, duke e bërë instalimin e një sistemi qendror të ajrit të kondicionuar shumë më të thjeshtë.

Në Evropën Qëndrore e veçanërisht në Kanada, ngrohja e dhomave është e bazuar në fuqinë hidrike që është më e zakonshmja, duke rritur më shumë koston e meremetimit të një sistemi qëndror të ajrit të kondicionuar. Kërkesat gjithnjë në rritje të komoditeteve në qytetet urbane kanadeze kanë realizur sisteme A/C me energji elektrike, se është relativisht më e lirë. Në Kanada shtëpitë janë me përmasa të mesme e të mëdha dhe në dimër është shumë ftohtë, duke bërë ngrohje-ftohjen një nga shpenzimet më të mëdha të familjes. Stina e verës kanadeze është e ngrohtë, por rrallë arrijnë

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

4

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

5

temperatura të larta krahasuar me eksperiencat në SHBA apo Azi. Prandaj kanadezët në të tilla momente, sidomos në shtëpitë e vjetra, thjesht zgjedhin të heqin dorë nga sistemet e ajrit të kondicionuar duke i zëvendësuar me ventilatore të thjeshtë dhe ftohës-avullues. Kosto e operimit (si një faktor i efikasitetit) të sistemit të A/C është konsideruar shpesh si zbutje e mjedisit armiqësor nga projektet e mangëta të izolim-kimike-termike të banesave. Ka patur një numër përparimesh për një teknologji më miqësore me mjedisin, duke përfshirë përparimin në izolim, përmes ftohjes gjeotermale. Në Evropë, shtëpitë me sistemin A/C janë më pak të zakonshme përgjithësisht. Vendet e Evropës Jugore si Greqia kanë një shtim të ndjeshëm të njësive të sistemeve A/C në vitet e fundit në banesa. Një tjetër vend europian jugor si Malta, vlerësohet në rreth 55% numri i familjeve që kanë tashmë një kondicioner të instaluar. ÇERTIFIKIMI Për përmirësimin e cilësisë së riparimit të automjeteve është i domosdoshëm çertifikimi i profesionistëve për këtë shërbim. Profesionistët duhet të trajnohen për shërbimet HVAC të automjeteve që të mund ofrojnë mundësi në bashkëpunimin, si dhe për të krijuar lidhje me shërbimin e industrisë për aftësi që mund të çojë në furnizimin e tregut me mjete moderne të konsumit. Edukimi e trajnimi sigurisht që mund të jetë fushë për rritjen e njohurive në instalimin e sistemeve A/C e posaçërisht me gaz CO2 sepse teknikët e kanë të nevojshme licensimin, për shkak të rreziqeve për të punuar me sisteme të tilla.

TERMODINAMIKA

Figura 1

Në një sistem termodinamik tipik – nxehtësia lëviz nga dhoma e nxehtë (boileri) tek (kondensuesi) i ftohtë dhe nga ky proçes përftohet puna. Termodinamika-prej gjuhës greke: thermos do të thotë nxehtësi dhe dynamis që do të thotë energji/fuqi. Termodinamika është degë e fizikës që studion ndikimin e ndërrimit të temperaturës, shtypjes dhe vëllimit në sistemet fizike të madhësisë makroskopike përmes analizimit të lëvizjeve kolektive të grimcave të tyre, duke përdorur statistikën. Përafësisht, nxehtësi do të thotë “energji në tranzit-lëvizje”dhe dinamika ka të bëjë me “lëvizje/transferim”; kështu që në thelb termodinamika studion lëvizjen e energjisë dhe se si energjia shndërrohet. HISTORIKU I ZHVILLIMIT TË TERMODINAMIKËS Pika e fillimit për çdo faktor termodinamik janë ligjet e termodinamikës, të cilat theksojnë se energjia mund të transferohet/shndërrohet në mes sistemeve fizike, në trajtë të nxehtësisë ose punës. Këto ligje shprehin gjithashtu se ekziston një madhësi e quajtur entropi, e cila mund të përcaktohet për çdo sistem. Në termodinamikë janë studiuar dhe kategorizuar bashkëveprimet mes ansambleve të mëdha të objekteve. Kryesore në këto janë konceptet e sistemit dhe rrethinës. Një sistem është i përbërë prej grimcave, lëvizja mesatare e të cilave përcakton vetitë, të cilat janë të lidhura si duhet me njëra-tjetrën me ekuacionin e gjendjes. Vetitë mund të bashkohen e të shprehin energjinë e brendshme, si dhe potencialet termodinamike përdoren për të caktuar konditat/kushtet për ekuilibër dhe procese spontane. Me këto mjete, termodinamika përshkruan se si sistemi i përgjigjet ndërrimeve në rrethinë. Këto mund të aplikohen gjerësisht në tema të ndryshme të shkencave dhe teknologjive si: motorët, kalimet fazore, reaksionet kimike, fenomenin e transportit, madje edhe në vrimat e zeza. Përfundimet e termodinamikës janë esenciale për fushat e tjera të fizikës, kimisë, inxhinerisë kimike, citologjisë, biomedicinës inxhinerike, etj.

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1 Një histori e shkurtër e termodinamikës fillon me shkencëtarin gjerman Otto von Guericke, i cili në vitin 1650 dizenjoi e ndërtoi pompën e parë të vakumit në botë dhe krijoi vakumin në atë pajisje që njihet si hemisferat e Magdeburg– ut. Ai u shty t’a krijojë vakumin në mënyrë që të përgënjeshtrojë supozimin e gabuar e të mbajtur një kohë të gjatë të Aristotelit se “natyra e urren vakumin”. Pak kohë më pas fizikanti dhe kimisti irlandez, Robert Boyle mësoi për konstruktimet e Guericke–s dhe më 1656 në koordinim me shkencëtarin anglez Robert Hooke, ndërtoi një pompë ajri. Me këtë pompë, Boyle dhe Hooke vërejtën korelacionin presion – temperaturë – vëllim. Në këtë kohë u formulua ligji për gazin ideal. Më pas, më 1679, bazuar në të njëjtat koncepte, një koleg i Robert Boyle – it i quajtur Denis Papin konstruktoi “bone digester” - një tretës të eshtrave që është një enë e mbyllur fort me një kapak të përshtatshëm, që e kufizon avullin të dalë derisa të arrihet presion i lartë.

Konstruktimet e mëvonshme implementuan një valvul që lëshonte avullin, e cila e ruante makinën prej eksplodimit. Duke e shikuar valvulën ritmikisht që shkonte poshtë–lart, Papini e konceptoi idenë e motorit/makinës me piston dhe cilindër. Sidoqoftë, ai nuk e konstruktoi atë. Megjithatë, më 1697 i bazuar në dizajnet e Papin-it inxhinieri Thomas Savery ndërtoi makinën e parë. Edhe pse këto makina të hershme ishin të papërpunuara dhe jo efikase, ato tërhoqën vëmendjen e shkencëtarëve kryesorë të kohës. Një shkencëtar i tillë ishte, Sadi Carnot, “babai i termodinamikës”, i cili më 1824 botoi veprën “Reflections on the motive power of fire” (Reflektim në fuqinë lëvizëse të zjarrit), një ligjërim për nxehtësinë, fuqinë dhe efikasitetin e makinave. Kjo shënon fillimin e termodinamikës si shkencë moderne. TERMODINAMIKA KLASIKE

Është variacion i termodinamikës, i viteve të hershme të 1880 që u mor me gjendjet termodinamike dhe vetitë si energjia, puna e nxehtësia dhe me ligjet e termodinamikës, por të gjithave u mungonte interpretimi atomik. Termodinamika klasike në formë paraprake, buron prej fizikanit Robert Boyle, i cili më 1662 theksoi se shtypja/presioni “p” për një sasi të dhënë gazi ndryshon anasjelltas me vëllimin “V” në temperaturë konstante; forma e ekuacionit p●V = k, konstante. Prej këtu, një ngjasim i termo–shkencave filloi të zhvillohet me konstruksionin e makinës së parë me avull në Angli nga Thomas Savery në 1697 dhe Thomas Newcomen në 1712. Ligji i parë dhe i dytë dolën në të njejtën kohë më 1850, së pari nga punimet e William Rankine, Rudolf Clausius dhe William Thomson (Lord Kelvin). Në fund – Lord Kelvin krijoi termin termodinamikë më 1849 në botimin e “An account of Carnot’s theory of the motive power of heat”. Libri i parë i mësimit të termodinamikës u shkrua më 1859 nga William Rankine, profesor i inxhinierisë mekanike në Universitetin e Glasgow–it. TERMODINAMIKA STATISTIKE

Me zhvillimin e teorisë molekularo–atomike në vitet e vona të 1880 dhe viteve të hershme të 1900, termodinamikës iu dha një interpretim molekular. Kjo fushë u quajt termodinamikë statistike, e cila mund të mendohet si një urë lidhëse në mes parametrave makro dhe mikroskopikë të sistemit. Esencialisht, statistika termodinamike është një afrim i termodinamikës me statistikën mekanike, e cila përqëndrohet në derivimin e rezultateve makroskopike prej fillesave të para. Kështu, mund t’i kundërvihet parardhësit historik, termodinamikës fenomenale, e cila jep përshkrime shkencore të fenomeneve duke i’u shmangur detajeve mikroskopike. Qasja statistike është të përfitojë të gjitha parametrat makroskopikë (temperatura, vëllimi, shtypja, entropia) prej parametrave të grimcave përbërëse në lëvizje dhe bashkëveprimit të tyre (duke përfshirë edhe fenomenin e kuanteve). Është demonstruar mjaft e suksesshme, prandaj përdoret shpesh. TERMODINAMIKA KIMIKE

Studion raportin e nxehtësisë me reaksionet kimike ose me ndryshimet fizike të gjendjes pa kufizimin e ligjeve të termodinamikës. Gjatë viteve 1873– 1876 matematicienti e fizikanti amerikan Wilard Gibbs botoi tre teori/letra, ku më e famshmja ishte “On the equilibrum of heterogeneous substances”, në të cilën ai tregoi se si proceset termodinamike mund të analizohen grafikisht, duke studiuar energjinë, entropinë, vëllimin, temperaturën dhe shtypjen e sistemit termodinamik, në atë mënyrë që të kuptohet se a do të ndodhte procesi spontanisht. Gjatë viteve të hershme të shek. XX,

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

6

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

7

kimistë si Gilbert Lewis, Merle Randall dhe E. A. Guggenheim filluan të aplikojnë metodat matematike të Gibbs–it për të analizuar proceset kimike.

NJOHURI ELEMENTARE MBI TERMODINAMIKËN Përvoja na mëson se në temperatura të ndryshme uji gjendet në tri gjendje agregate: të lënget, të ngurtë (akull) dhe të gaztë (avull). Kjo ndodh edhe me trupa të tjerë, të cilët mund të kalojnë nga një gjendje agregate në tjetrën. Pra, gjëndjet e lëndës në natyrë janë: të lëngët, të ngurtë dhe të gaztë. Ka rëndësi të theksohet që duhet të shtohet nxehtësi për të bërë të mundur ndryshimin e gjendjes nga e ngurta në lëng dhe nga e lëngta në gaz. Po ashtu është e rëndësishme të theksohet që kur heqim nxehtësi, lënda kalon nga gjendja e gaztë në të lëngët dhe nga e lëngët në të ngurtë.

Figura 2 Gjendjet termodinamike të trupave: e ngurtë, e gaztë dhe e lëngët SHKRIRJA DHE NGRIRJA Dukuria e transformimit të lëndës prej gjendjes së ngurtë në gjendje të lëngët quhet shkrirje. Për t’u kryer ky transformim shpenzohet energji termike. Ngurtësimi apo ngrirja është proces i kundërt i shkrirjes. Kalimi nga gjendja e lëngët në gjendje të ngurtë quhet ngurtësim. Gjatë këtij procesi çlirohet nxehtësia. Temperatura në të cilën shkrihet trupi quhet temperaturë e shkrirjes. Trupat amorfë kanë shkrirje brumore ose qelqore, ndërsa trupat kristalorë kanë temperaturë të qartë të shkrirjes. Për një presion të dhënë, çdo trup kristalor shkrihet dhe ngurtësohet në temperaturë të caktuar, e cila quhet pikë e shkrirjes apo e ngurtësimit. Për shembull uji në presion normal atmosferik pikën e shkrirjes e pikën e ngurtësimit e ka në 0 °C. Në qoftë se në enën e dhënë vendoset një sasi akulli dhe fillon të nxehet, duke përcjellë ngritjen e temperaturës në termometër, në intervale të barabarta të kohës, shihet se nga çasti kur fillon shkrirja temperatura nuk do të rritet fare derisa të përfundojë tërësisht shkrirja e akullit. Temperatura nuk rritet edhe nëse rritet nxehtësia që ofrohet nga jashtë, por vetëm shpejtohet procesi i shkrirjes. Kjo nxehtësi quhet nxehtësi latente (e fshehtë). Shkrirja, grafikisht, mund të paraqitet në funksion të sasisë së nxehtësisë Q dhe të temperaturës T. Gjatë transformimeve, shkrirje-ngurtësim e anasjelltas, trupat në natyrë ndryshojne vëllimin dhe densitetin. Përvoja tregon për thyerje të enëve të qelqta, të tubave të ujësjellës-kanalizimit, të cilindrave të motorit në automjete, si rezultat i zmadhimit të vëllimit të ujit në procesin e shndërrimit në akull. Në përgjithësi, materialet kanë vëllim më të madh në gjendje të lëngët se në gjendje të ngurtë, por disa si p.sh: akulli, argjendi, hekuri i butë, bismuti, etj, bëjnë përjashtim. Pika e shkrirjes e substancave të ngurta është temperatura e gjendjes fizike në të cilën substanca themelore bëhet e lëngshme. Temperatura në të cilën substanca kalon nga lëng në gjendje të ngurtë quhet pika e ngrirjes. Pika e shkrirjes dhe e ngrirjes është e njëjtë për substanca të pastra. Polimeret organike agar shkrihen mbi 85°C, dhe ngrijnë nën 40°C, ky fenomen quhet histerezi. AVULLIMI DHE VALIMI Përvoja tregon se rrobat e lagura, me qëllim që të teren/thahen, duhet të hapen. Uji në enë, së cilës nga jashtë i ofrohet nxehtësi, shterrohet. Nëse në vend të ujit derdhet alkool, këtij do t’ia diktojmë edhe erën karakteristike. Kuptohet, materiali ka kaluar nga gjendja e lëngët në të gaztë. Kjo dukuri quhet avullim. Me fjalë të tjera, avullim quhet procesi i transformimit të çfarëdo materiali nga gjendja agregate e lëngët në gjendje të gaztë. Avullimi kryhet me ajrosje dhe me valim. Ajrosje quhet procesi i avullimit të lëngut në çdo shtypje dhe temperaturë. Kësisoj, avullimi i

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1 sipërfaqeve ujore në tokë, si i lumenjve, liqeneve dhe i deteve kryhet me ajrosje, sikurse edhe tharja e rrobave. Përvoja tregon se ajrosja kryhet në çdo temperaturë, kryhet vetëm mbi sipërfaqen e lëngjeve, varet nga madhësia e sipërfaqes së lëngut, natyra e tij, si dhe nga shpejtësia e rrymave ajrore. Praktikisht, që të thahen rrobat, duhet të hapen me qëllim që të rritet sipërfaqja, por ato do të thahen edhe më shpejt po të fryjë erë. Kuptohet, trupi që ajroset ftohet. Kjo tregon se nxehtësia e nevojshme gjatë ajrosjes pëfitohet nga trupi. Në aspektin mikroskopik, gjatë ajrosjes, nga sipërfaqja e lëngut, apo e rrobave që do të teren, shkëputen vetëm ato molekula që kanë energji të mjaftueshme për të mbizotëruar forcat ndërmolekulare dhe shtypjen e jashtme atmosferike. Kjo do të thotë se nga lëngu shkëputen ato molekula që kanë energji kinetike maksimale, duke shkaktuar zvogëlimin e energjisë kinetike të molekulave që mbeten në lëng, kësisoj shpjegohet zbritja e temperaturës së trupit gjatë ajrosjes. Jemi dëshmitarë të faktit se kur dalim nga uji i liqenit, i lumit apo i detit, ndjejmë të ftohtë. Së fundi, formimi i avullit me ajrosje shoqërohet me thithje të nxehtësisë, si përcillet shndërrimi i avullit në lëng me çlirim të nxehtësisë. Procesi i avullimit me nxehje të drejtpërdrejtë, i shoqëruar me flluska ajri, quhet valim dhe fillon në çastin kur shtypja e avullit bëhet e barabartë me shtypjen atmosferike.

Lëngjet e ndryshme valojnë në temperatura të caktuara, për shembull uji në presion normal valon në temperaturën 100°C. Në kushte normale atmosferike, temperatura e valimit quhet pikë valimi dhe varet nga materiali i enës, pastërtia e lëngut, lloji i gazit të tretur në lëng dhe nga natyra e lëngut.

Po çfarë e ruan gotën e ujit nga vlimi kur ajo është në temperaturën e dhomës? Shprehja që nuk ka nxehtësi të mjaftueshme është gabim. E vetmja gjë që bën ujin të mos vlojë është presioni i molekulave të ajrit mbi sipërfaqen e ujit. Me zvogëlimin e presionit bie edhe temperatura e valimit. Në male të larta, ku mbretëron presion më i ulët atmosferik, uji do të valojë në temperaturë më të ulët se 100°C dhe ushqimi duhet të zihet shumë më gjatë se në ultësira, apo gati nuk zihet fare. Meqë valimi kryhet në temperatura të ulta, gjellës nuk i jepet temperaturë e nevojshme për zierje. Por, me rritjen e presionit, rritet edhe pika e valimit të ujit që ka zbatim të gjerë në termoteknikë, në sterilizimin e instrumenteve sanitare dhe në dezinfektimin e rrobave. Në enët e mbyllura hermetikisht, ushqimi zihet shumë më shpejt se në enët se hapura, sepse në to, duke rritur presionin, rrisim edhe temperaturën e valimit. Tharje është një proces që çon në dehidratim të materialit duke reduktuar pjesën relative të ujit në të. Pikë valimi, është temperatura në të cilën presioni i avujve të lëngut është i barabartë me presionin e ambientit të jashtëm. Kur presioni i jashtëm është 1 atmosferë, pikë valimi quhet pikë valimi normale. Nëse presioni i jashtëm është 1 bar (1bar = 0.987 atm) përdoret termi pikë valimi standart. Për shembull, pikë valimi normale e ujit është 100°C, një pikë valimi standard është 99.6°C. Pika triple e një substance është pika në diagramë në fazën e përcaktuar nga temperatura e presioni në të cilën ekziston masa, që në të njëjtën kohë është në treshen e materies (të gaztë, të lëngët dhe të ngurtë) në ekuiliber të ndërsjelltë termodinamik. Psh, pika triple e ujit është në t = - 38.8344°C dhe presion 0.2 MPa. Pika triple e ujit është përdorur për të përcaktuar temperaturën kelvin, si njësi bazë SI për temperaturën termodinamike, në mënyrë që vlera e tij e pranuar të jetë saktësisht 273.16 °K. KONDENSIMI DHE SUBLIMIMI Masa e lëngut të vendosur në enë hermetikisht të mbyllur vetëm në fillim do të pakësohet, pas një kohe niveli i saj në enë nuk do të ndryshojë. Kësisoj masa e lëngut pakësohet, por rritet masa e avullit në hapësirën e enës mbi sipërfaqe të tij. Disa molekula të avullit rikthehen në lëng dhe pas një kohe numri i molekulave të lëngut, që avullohen, është i barabartë me numrin e molekulave të avullit që kthehen në lëng. Ky baras peshim dinamik ndikon që sasia e lëngut në enë të mos ndryshojë. Avulli që ndodhet në baraspeshim dinamik me lëngun përkatës quhet avull i ngopur. Me fjalë të tjera, themi se avulli që ndodhet në hapësirën e lëngut përkatës është avull i ngopur. Shndërrimi i avullit të ujit në lëng është i mundshëm, nëse ekzistojnë qëndrat e kondensimit, të cilat mund të jenë grimcat e pluhurit, jonet, etj. Për shembull në mungesë të këtyre qëndrave të kondensimit nuk do të formohen pikat e ujit, por një gjendje metastabile, që quhet avull i tejngopur.

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

8

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

9

Mbrojtja nga breshëri është e bazuar pikërisht në parimin e krijimit të qëndrave të kondensimit. Efekti i predhës kundër resë breshër-formuese nuk bazohet në ngritjen e temperaturës dhe të shkrirjes së kokrrizave të akullit në të, por në dërgimin e pluhurit të jodurit të argjendit AgJ. Predha zakonisht hidhet në lartësinë afro 6.000 m me afro 0.5 kg AgJ, sepse vetëm 1 g përmban 3.1014 grimca, përkatësisht qëndra të kondensimit. Rreth këtyre grimcave krijohen pikat e shiut.

Figura 3: Qëndrat e kondensimit Ashtu si theksuam edhe më lart, me fjalën ajrosje kuptohet procesi i avullimi të lëngut në çdo shtypje dhe temperaturë, pra avullimi bëhet dhe me ajrosje. Por, mund të ajrosen edhe trupat e ngurtë, si: akulli, jodi, naftalina apo bora nga CO2. Avullimi i trupave të ngurtë quhet sublimim. Me fjalë të tjera, me sublimim kuptohet transformimi i drejtpërdrejtë i trupit të ngurtë në avull, me ç’ka kuptohet se këtu fjala është për kapërcim nga një gjendje agregate në tjetrën.

SISTEMET TERMODINAMIKË Një koncept i rëndësishëm në termodinamikë është sistemi. Sistemi është një regjion i universit nën studim. Sistemi termodinamik – përfaqëson tërësinë e trupave të ndodhur në një pjesë të hapësirës së konsideruar, në bashkëveprim të mundshëm termik dhe mekanik, si me njëri-tjetrin dhe me mjedisin e jashtëm. Sistemi është i ndarë prej pjesës tjetër të universit me kufi, i cili mund të jetë imagjinar ose jo, por i cili me marrëveshje zë një vëllim të përcaktuar (i ka kufijtë e caktuar). Mjedisi rrethues – është masa ose zona e hapësirës jashtë sistemit termodinamik. Kufiri i sistemit, i cili përcaktohet nga sipërfaqja e kontrollit që konsiderohet (pranohet) pa trashësi, pra pa masë dhe vëllim, shërben për të ndarë sistemin termodinamik nga mjedisi rrethues. Ndryshimet e mundshme në punë, nxehtësi ose shkëmbim të materies mes sistemit dhe rrethinës bëhet rreth këtij kufiri. Figura 4: Sistemi termodinamik dhe rrethina e tij Trupi i punës (lënda e punës) – është një element i rëndësishëm i sistemit termodinamik, nëpërmjet të cilit realizohet shndërimi i nxehtësisë në punë mekanike (apo forma të tjera të energjisë) dhe anasjelltas. Si trup pune më i përshtatshëm merret gjendja fazore e gaztë, e cila ka aftësi që me ndryshimin e presionit dhe temperaturës të ndryshojë me lehtësi vëllimin e vet, pra të kryej punë. Kështu gazet (e prodhuara nga djegia e lëndëve djegëse) në motorët me djegie të brendshme dhe turbinat me gaz; avujt e ujit në makinat dhe turbinat me avull; avujt e lëndëve ftohëse në impiantet e ftohjes, përbëjnë trupat e punës në këto makina termike. Në termoteknikë, me qëllim që të vendosen ligjet kryesore, mendohet gjendja e gazit ideal, në të cilin nuk konsiderohen forcat e kohezionit ndërmjet molekulave të tij dhe vetë molekulat konsiderohen pika materiale pa vëllim. Në fakt, çdo gaz që ndodhet në natyrë, përbëhet prej molekulash me vëllim të caktuar, ndërmjet të cilave veprojnë forcat e kohezionit, pra në natyrë kemi vetëm gaze reale. Trupi i punës që ndodhet në brendësi të sistemit termodinamik, mund të paraqitet në trajta të ndryshme: homogjene – kur ai paraqet vetëm një gjendje fazore (të gaztë, të lëngët ose të ngurtë) dhe jo homogjene – kur ai përbëhet nga disa faza të ndryshme; e ngjeshme (e shtypshme) – kur në varësi të kushteve që veprojnë mbi trupin e punës, ai e ndryshon vëllimin në mënyrë të dukshme. Këtë veti e shfaqin gazet. Lëngjet dhe trupat e ngurtë konsiderohen praktikisht të pangjeshëm.

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1 Burimi i nxehtë (BN) – është pjesë e rrethinës nga merret nxehtësia. Burimi i ftohtë (BF) – është pjesë e rrethinës ku trupi i punës (sistemi termodinamik) jep nxehtësi. Si burime nxehtësie shërbejnë: energjia kimike e lëndëve djegëse, energjia bërthamore, energjia diellore, etj. Kohët e fundit kanë marrë rëndësi të veçantë edhe burimet e rinovueshme apo alternative të energjisë si: energjia diellore, e erës, biomasës, etj. Janë pesë kategori dominuese sistemesh:

- Sistemet e izoluara – materia dhe energjia mund të mos e kalojnë kufirin - Sistemet adiabatike – nxehtësia s’e kalon kufirin - Sistemet diatermike – nxehtësia e kalon kufirin - Sistemet e mbyllura – materia s’e kalon kufirin - Sistemet e hapura – nxehtësia, puna, materia mund t’a kalojnë kufirin

Sistem quajmë një grup elementesh të veçanta që kryejnë një funksion të përbashkët. Sistemet termodinamike mund të jenë të mbyllur – që karakterizohen nga ruajtja e masës dhe të hapur – që dallohen nga kalimi i masës nëpër kufirin e sistemit apo sipërfaqen e kontrollit. Sistemet termodinamike (trupi i punës) që nuk komunikon nxehtësi me mjedisin e jashtëm (rrethinën) quhet i izoluar termikisht, kur nuk komunikon punë quhet i izoluar mekanikisht. Sistemi termodinamik që nuk komunikon asnjë lloj energjie dhe mase me mjedisin rrethues quhet i mbyllur dhe i izoluar. Për sistemet e izoluara, sa më tepër që koha kalon, diferencat në sistem kanë tendencë të eleminohen: presioni dhe temperatura priren të barazohen, në atë mënyrë që densiteti ndryshon. Një sistem tek i cili të gjitha proceset barazuese praktikisht kanë përfunduar, konsiderohet të jetë në ekuilibër termodinamik.

Në ekuilibër termodinamik, parametrat e sistemit sipas përcaktimit, janë të pandryshueshme në kohë. Sistemet në ekuilibër janë shumë më të thjeshtë dhe më të lehtë për t’i kuptuar se sa sistemet që nuk janë në ekuilibër. Shpesh, kur të analizohet një proces termodinamik, mund të supozohet se secila gjendje e ndërmjetme në proces është në ekuilibër. Kjo në mënyrë të konsiderueshme n’a e lehtëson situatën. Proceset termodinamike të cilat zhvillohen aq ngadalë sa të lejojnë që secili hap i ndërmjetëm të jetë në gjendje ekuilibruese është e thënë të jenë procese reversibile. PARAMETRAT TERMODINAMIKË Një nga detyrat e termodinamikës teknike është studimi i gjendjeve të ekuilibrit të sistemit termodinamik. Një sistem termodinamik thuhet se është në ekuilibër, kur ai plotëson kushtet e ekuilibrit termik, mekanik dhe kimik; pra kur nuk ka transmetim nxehtësie, transmetim pune dhe procese të shndërrimeve kimike në trupin e punës. Në këtë rast thuhet se sistemi paraqet një gjendje ekuilibri të qëndrueshëm. Për të studiuar ekuilibrin termodinamik të sistemit, duhet të njihen fillimisht disa madhësi makroskopike, të cilat karakterizojnë gjendjen e tij në tërësi. Këto madhësi quhen parametra termodinamikë; të cilët për gjendjen e ekuilibrit janë të varur nga njeri-tjetri dhe nuk varen nga karakteri i procesit që realizon trupi i punës, prandaj quhen dhe parametra të gjendjes. Parametrat kryesore të gjendjes janë: presioni absolut (p), vëllimi specifik (v), temperatura absolute (T), të cilët përcaktojnë kushtet e ekuilibrit termik dhe mekanik, prandaj quhen edhe parametra termikë. Parametra të tjerë të gjendjes janë: energjia e brendshme (u), entalpia (h, i), entropia (s), si dhe disa madhësi të tjera me komplekse si: energjia e lirë e Helmholtzit (f) dhe e Gibbsit (G) dhe entalpia e lirë (z). Parametrat e gjendjes së lëndës që varen nga sasia e lëndës (M) quhen parametra ekstensivë; të tillë janë: u, h, s, etj. Edhe vëllimi V – konsiderohet madhësi ekstensive. Koncepti qëndror në termodinamikë është energjia, aftësia për të kryer punë. Si është përcaktuar nga Ligji i parë i termodinamikës, energjia e përgjithshme në sistem dhe në rrethinë ruhen. Mund të transferohen në trup përmes nxehtesisë, ngjeshjes ose shtimit të materies, ose anasjelltas mund të ekstradohet nga trupi me ftohje, zgjerim ose nxjerrje të materies. Si krahasim në mekanikë, transferimi i energjisë është rezultat i forcës që shkakton zhvendosjen, prodhimi i të dyjave, është sasia e energjisë së transferuar. Në mënyrë të ngjashme, sistemet termodinamike mund të mendohen se transferojnë energjinë si rezultat i një force të përgjithësuar që shkakton një zhvendosje të përgjithësuar, prodhimi i të dyjave është sasia e energjisë së transferuar. Këto çifte forcë–zhvendosje termodinamike njihen si

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

10

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1 ndryshore të konjuguara/bashkuara. Ndryshoret e konjuguara më të shpeshta në termodinamikë janë: presion–vëllim (parametra mekanikë); temperaturë–entropi dhe potenciali kimik – numri i grimcave (parametra materialë). VËLLIMI SPECIFIK DHE DENSITETI

Vëllimi specifik (v) paraqet vëllimin (V – m3) e njësisë së masës (M – kg). Njësia e matjes së vëllimit specific është [m3 / kg]. Kjo vlerë tregon se sa vëllim zë në njësinë e masës një substancë. Trajtimi specifik i vëllimit është i një rëndësie të veçantë në termodinamikë. v = V / M [m3 / kg] Dendësia është përcaktuar si masë mbi vëllimin e një trupi, dhe njësia e matjes në sistemin SI është kilogram për metër kub, e vlefshme me relacionin: ρ = M / V [ kg / m3] Madhësia e vëllimit specifik është i lidhur ngushtë me densitetin. Lidhja e vëllimit specifik me densitetin është si vijon: v • ρ = 1 Në sistemin teknik përdoret pesha specifike (γ), që paraqet peshën (G – Njuton) e njësisë së vëllimit të lëndës: γ = G / V = M • g / V = ρ • g [N / m3] Ku: g – është nxitimi i gravitetit tokësor (m / s2). Dendësia na tregon se sa masë e një substancë gjendet në njësinë e vëllimit. Dendësia është një karakteristikë e ndryshueshme e një substance, që varet kryesisht nga temperatura dhe është e vërtetë për të gjitha substancat në tërësi. Dendësia e një substance në gjendje të gaztë varet nga presioni ekzistues në atë gaz. Në përgjithësi, dendësia e materies zvogëlohet me rritjen e temperaturës. Zgjerimi termik i materies në një farë mënyre pengohet mekanikisht, duke rritur presionin në gaz dhe duke shfaqur tendosje në trupat e ngurtë. Lëngjet ngjasojnë me trupat e ngurtë, por zgjerimi termik i tyre nuk ka rëndësi praktike, pasi është e papërfillshme e nuk ka aplikime teknike. Kështu çdo substancë e lëngët do të fillojnë të avullojë para se të ndodhë rritja e vëllimit të saj në mënyrë të dukshme.

Substanca e njohur për nga natyra që nuk ka lidhje me densitetin në varësi nga temperatura është uji. Uji është më i dendur në 4°C, kurse akulli ka një dendësi më të ulët krahasuar me të, kjo është arsyeja pse akulli qëndron mbi ujë. PRESIONI

Presioni është përcaktuar si forca e ushtruar në njësine e sipërfaqes së ngurtë, të lëngshme ose të gaztë. Sipas teorise kinetike molekulare presioni është rrjedhojë e lëvizjes së çrregullt të mikrogrimcave në vëllimin e kontrollit. Kështu thuhet se presioni shpreh veprimin e goditjes së molekulave në muret e enës ku ndodhet, në drejtim normal mbi njësinë e sipërfaqes. Përdorimi i njësisë së matjes në sistemin SI tregon presionin në Paskal [Pa]. Në sistemin anglez përdoret pound për inc në katror [PSI]. Njësi të tjera të presionit janë kilogramë forcë për centimetër katror [KGF/cm2], Bar, atmosferë [Atm] dhe milimetra kollonë mërkuri-zhive [mmHg]. Presioni atmosferik në nivelin e detit është 101.325 kPa = 14.6 psi. Kjo është në përgjithësi si një tregues (presion matës) zero, nëse nuk është një matës masa e të cilit do të thotë presion atmosferik. Presioni absolut është presioni atmosferik plus presionin e vlerësuar. Presioni që ushtron gazi (trupi i punës) mbi muret e enës, i llogaritur nga vlera zero, quhet presion absolut (p). Nëse me po – shënojme presionin atmosferik, madhësia e presionit mbi presionin atmosferik quhet presion manometrik ose i tepërt, e shënohet me pm . Kur presioni absolut p është më i vogël se presioni atmosferik po , lind ose krijohet presioni vakumetrik ose zbrazëtia (pv). Në figurën 5 paraqiten skematikisht vlerat e p, po, pv, pm dhe matja e presionit manometrik e vakumetrik me manometër me lëng në formë U-je. Kështu mund të shkruajmë: p = po + ρ • g • h = po + γ • h = po + pm (kemi mbipresion) p = po - ρ • g • h = po – γ • h = po - pv (kemi vakum) ku: p = G / F = ρ •g •V / F = ρ • g • h = γ • h p -- është presioni i një kolone lëngu me lartësi h F -- sipërfaqja

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

11

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

12

Figura 5: Matësit e presionit dhe njësitë që e shprehin atë

Më sipër u diskutua se uji e ndryshon gjendjen në 100°C. Kjo është në se lëngu është në një nivel me presion atmosferik. Në qoftë se zvogëlojmë presionin mbi lëng duke e lëvizur atë mbi nivelin e detit apo aplikojmë një vakum mbi të, atëherë pika e vlimit është ulur. Kur rritet presioni i aplikuar në sipërfaqen e lëngut duke e lëvizur atë nën nivelin e detit ose në mënyrë specifike duke aplikuar një presion në të, atëhere pika e vlimit është ngritur. Në se jemi në një vakum të thellë (1 bar vakum) të krijuar në një sistem të mbyllur, uji do të valoje në 10°C (50°F). Kjo bën të mundur largimin e lagështisë në pajisje teknike në një sistem të A/C, duke përdorur një pompë vakumi. Tabela paraqet krijimin e një vakumi të thellë të mjaftueshëm në bazë të kushteve ftohëse të ambientit.

Tabela 1 : Marrëdhënia në mes vakumit dhe temperaturës në të cilën valon uji TEMPERATURA

Temperatura është një sasi energjie fizike që shpreh gjendjen termike të një sistemi. Kjo varet se sa ngrohje ka një trup me peshë dhe presion të caktuar. Pra, vlera e temperaturës është një mënyrë për të përcaktuar se sa e nxehtë është një substancë. Temperatura mund të reflektohet nga trupi në trup, nëpërmjet transferimit të nxehtësisë dhe temperaturës. Sipas teorise kinetike-molekulare dihet se temperatura absolute termodinamike T, sikurse edhe presioni varet nga shpejtësia mesatare kuadratike e

Nr Pika valimit të ujit oC Pika valimit të ujit oF Kpa Bar

Vlera pozitive

1 48.9 120.02 -86.9 -0.896 2 43.3 109.94 -92.5 -0.925 3 37.8 100.04 -94.8 -0.948 4 32.2 89.96 -96.5 -0.965 5 26.7 80.06 -97.8 -0.978 6 21.1 69.98 -98.8 -0.988 7 15.6 60.08 -99.6 -0.996 8 10 50 -100.4 -1

Vlera negative -100.6 -1.006 9 -1.1 30.02 -100.8 -1.008

10 -6.7 19.94 -101 -1.01 11 -12.2 10.04 -101.1 -1.011 12 -15 5 -101.2 -1.012

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1 lëvizjes translatore të molekulave dhe është gjithmonë positive. Nga teksti më lart shihet që temperatura është masë e nxehtësisë (energjisë termike), kurse kjo e dyta varet nga lëvizja apo energjia kinetike e grimcave që lëvizin në sistem apo trup. Kështu, temperatura karakterizon gjendjen termike të trupit ose ndryshe shkallën e ngrohjes së trupit, pra temperatura është tregues për përcaktimin e lëvizshmërisë së molekulave që përmban ajo lëndë. Temperatura përcakton drejtimin e kalimit të nxehtësisë ndërmjet trupave. Dihet nga praktika se nxehtësia mund të kalojë vetvetiu vetëm nga trupat me temperaturë më të lartë në trupat me temperaturë më të ulët, për këtë gjë studimi i fushës së temperaturave është shumë i rëndësishëm në proceset e transmetimit të nxehtësisë. Meqenëse, temperatura karakterizon cilësinë e bashkësisë së një numri shumë të madh molekulash, ajo është një madhësi statistike. Temperatura matet me shkallë Celcius, Kelvin apo shkallë të Farenheit-it. Ne përdorim shkallën Celcius, anglo-saksonët preferojnë atë të Farenheit-it kurse në sistemin metrik SI njësia zyrtare internacionale është Kelvin [K]. Janë vlerat numerike që bëjnë lidhjen e këtyre njësive. Me rëndësi është për t’u theksuar njësia Kelvin [K] meqë është e lidhur me të ashtuquajturën temperaturë absolute të trupit dhe numrin - 273. Ky numër na ndihmon për t’a shndëruar Kelvinin (K- nuk thuhet shkallë K!) në shkallë Celcius. Zeroja në shkallën Kelvin është Zero Absolute, temperaturë teorike ku e gjithë nxehtësia është hequr nga lënda, ndryshe nga zero Celcius që është temperatura e ngrirjes së ujit. Vlera zero e temperaturës Kelvin që shënon zeron absolute nuk mund të arrihet (është shumë vështirë). Ja pse: Siç e thamë lëvizja e grimcave është ajo që shkakton nxehtësinë e trupit, e cila që të zbresë aq shumë sa që temperatura e tij të jetë në vlerën e zeros absolute, do të thotë që grimcat duhet të ndalen plotësisht – të mos lëvizin. Kur T = 0°K , molekulat nuk janë në lëvizje. Por, edhe në metale, edhe në trupin e vdekur, edhe në akull dhe trupa të tjerë të ftohtë nuk ka mundësi që të ndalen plotesisht grimcat prej të cilave është i ndërtuar trupi. Një copë hekuri apo akulli që mbajmë në dorë janë të ftohtë, por gjithësesi atomet në brendësinë e trupave të tyre vibrojnë pa ndërprerje në rrjetat kristalore që ndërtojnë trupat në fjalë. Duke përdorur ftohjen jokonvencionale, më 1989 është arritur temperatura më e ulët e barabartë me 0.000000002 K. Shkalla Kelvin nuk ka numra negativë. Kelvin (simbol K) është njësi matëse e temperaturës në SI dhe është e përcaktuar si 1/273.16 pjesë e temperaturës termodinamike, të pikës së trefishtë të ujit. Një përkufizim i tillë është i barabartë për shkallën Celsius (°C), ku vlerat e shprehura në Kelvin (°K) nënkuptojne shkallën absolute (T). Formula numerike është: T °K = t °C + 273.15 Celsius (°C) është një njësi e temperaturës në sistemin metrik të njësive SI e shprehur me shkallë Celsius e hartuar në mënyrë që pika e ngrirjes së ujit është 0 gradë dhe pika e valimit 100 gradë në presion atmosferik standart. Por shprehemi se shkalla e temperaturës Celsius nuk është e përcaktuar nëpërmjet pikës së ngrirjes dhe të valimit të ujit, megjithëse vlerat e tyre kanë mbetur në rreth 0 dhe 100°C. Shkalla e propozuar nga Celsius është njësi themelore matëse e temperaturës dhe si praktika më e përdorur. Njësia bazë e matjes së temperaturës është 1 gradë °C. Pra ka 100 shkallë midis 2 pikave 0 dhe 100. Shkalla Celsius ka dhe nënshkallë si Centigrada. 1 Centigradë është sa një e njëqinda e gradës Celsius. Për kalimet nga Celsius në Farenheit dhe e kundërta shërbejnë formulat e mëposhtme: C = 5 / 9 • ( F – 32) F = (9/5 • C) + 32 Temperatura në Farenheit – Njësia sipas sistemit anglez është °F – grada Farenheit. Tradicionalisht sistemi anglez i njësive të temperaturës është përdorur gjatë. Njësia Farenheit e temperaturës filloi të përdoret gjerësisht nga vetë Farenheit aty nga vitet 1700. Ajo bazohet në vëzhgimet shkencore si temperatura e trupit të njeriut dhe shkrirja e akullit. Këto vlera temperature në Farenheit u përcaktuan arbitrarisht si vlera që jetuan gjatë me kalimin e kohës. Numrat e nënndarjeve të njësive u zgjeruan për lexime të lehta. Temperatura e vlimit të ujit u caktua 212°F (100°C) dhe ajo e ngrirjes 32°F (O°C) me qëllim që t’a bënte shkallën Farenheit me atraktive, duke bërë që diferenca midis pikës së shkrirjes e avullimit të ujit të ishte 1800. Si e dimë 1800 është këndi i gjysmës së rrethit dhe kjo u bë që të ishte një faktor bindës për atë kohë. Temperatura në Rankine – Rankine është një variant i sistemit anglez të vlerësimit të temperaturës absolute. Duke i shtuar 4600 temperaturës në Farenheit merret temperatura në Rankine.

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

13

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

14

Temperatura absolute termodinamike Ky përkufizim është i bazuar në nxehtësinë e kthyeshme të temperaturës së një motori, që paraqet raporti i temperaturës së burimit të nxehtë dhe të ftohtë të barabartë me raportin e nxehtësisë së shpërndarë dhe nxehtësisë së futur në një burim të ftohtë:

𝑇𝐴𝑇𝐵

=𝑄𝐴𝑄𝐵

Ky është një përkufizim universal i temperaturës, sepse ajo është e pavarur nga materialet dhe mënyra e ndërtimit të makinave termike, për aq kohë sa nxehtësia e motorit është e kthyeshme. Në termodinamikë shpesh bëhet fjalë për kushte normale apo fizike dhe ato teknike të trupit të punës: Kushte normale (fizike): t = 0°C (273 K); p = 760 mmKHg Kushte teknike: t = 15°C; p = 735.6 mmKHg ENERGJIA

Energjia është pjesë përbërëse apo komponente e lëndës, ajo përcaktohet dhe si aftësi për të ndryshuar dhe paraqet një nga vetitë e sistemit termodinamik. Energjia e plotë e një sistemi termodinamik (E) përfshin energjinë kinetike të lëvizjes së sistemit (si trup i plotë), energjinë potenciale të pozicionit të të gjithë sistemit ose të pjesëve makroskopike të tij në një fushë të jashtme forcash (psh në fushën e gravitetit, elektrike, magnetike, etj), energjinë kimike dhe energjinë termike (të palidhur me energjitë e para). Gjatë proceseve termodinamike ndryshon vetëm energjia termike, në këto raste ndryshimi ∆E është i njëvlefshëm me nxehtësinë (e shënojmë Q), e cila mund të transmetohet vetëm kur sistemi është i paizoluar termikisht. Në qoftë se gjatë një procesi të fundëm, trupit me masë M i komunikohet nxehtësia Q, atëhere temperatura e tij ndryshon me madhësinë ∆t: Q = M • cx • ∆t ku cx – është nxehtësia specifike e trupit, vlera e së cilës varet nga natyra e tij dhe karakteri i procesit që kryen trupi (i shprehur me simbolin x). Në bazë të teorisë kinetiko-molekulare, nxehtësia paraqet një formë mikrofizike të transmetimit të energjisë. Madhësia e nxehtësise varet jo vetëm nga gjendjet fillestare dhe përfundimtare të trupit të punës, por dhe nga karakteri i procesit. Pra nga pikëpamja fizike, nxehtësia paraqet procesin e kryer nga trupi, nga pikëpamja matematike nxehtësia eshte funksion i procesit dhe jo i gjendjes.

Në dallim nga energjia termike që i përket trupit në brendësi, nxehtësia konstatohet në kufirin e sistemit dhe jo në brendësi, pra nxehtësia është një fenomen kufi apo kufitar. Megjithëse nxehtësia si formë e transmetimit të energjisë është pjesë e energjisë termike, energjia termike nuk është nxehtësi. Nxehtësia që kalon nëpër një sipërfaqe është e barabartë me ndryshimin e energjisë termike të trupit të punës në hyrje dhe në dalje të sistemit.

Figura 6: Paraqitja skematike e relacionit energji termike-nxehtësi

Intensiteti i nxehtësisë mund të matet duke përdorur një termometër. Kjo jep vetëm intensitetin e nxehtësisë të një substance dhe jo shkallën sasiore të nxehtësisë. Temperatura është një madhësi e matshme. Nxehtësia është gjithashtu një madhësi e matshme. Madhësia e temperaturës së një lënde tregon sa i nxehtë është ai, por nuk tregon sasinë totale të nxehtësisë që përmban. Po japim një shembull, që e bën më të qartë kuptimin fizik të nxehtësisë. Le të kemi 2 copa kubike hekuri. Njëra është 1cm3 dhe tjetra 10dm3, i nxehim në temperaturë të njëjtë psh në 60°C. Ato të dy kanë të njëjtën temperaturë, por problemi është se a kanë të njëjtën sasi nxehtësie? Po qe se do të fusim kubin e vogël të nxehtë në një enë me ujë, asgjë e dukshme nuk do të ndodhë me temperaturën e ujit të enës; por po qe se do të fusim kubin e madh të nxehtë në të njëjtën enë, atëhere temperatura e ujit në po atë enë do të ngrihet shumë më tepër. Meqenëse ujit i rritet temperatura më

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

15

shumë kur fusim kubin e madh, themi se kubi i madh ka më shumë nxehtësi se sa kubi i vogël edhe pse të dy kubet kishin të njëjtën temperaturë. Nxehtësia specifike (Kapaciteti specifik i nxehtësisë) përfaqëson sasinë e nxehtësisë që i duhet komunikuar njësisë së lëndës homogjene 1gram për t’i ndryshuar temperaturën me 1°C ose 10K. Pra, kapaciteti specifik i ngrohjes (nxehtësia specifike) është përdorur për të matur sasinë e nxehtësisë së nevojshme (që duhet shtuar ose çliruar) për të shkaktuar një ndryshim me një njësi temperature.

Njësi matëse e nxehtësisë specifike është xhaul (joule) për kilogram kelvin (J/KG 0K) ose (kkal/KG °C). Ujit i është dhënë një vlerë nxehtësie specifike me 1. Kjo dmth që duhet 1 kalori për të ndryshuar temperaturën me 1°C të 1 grami ujë. Nxehtësia specifike është madhësi pa dimensione. Ajo është një numër që nuk ka njësi t’a shoqërojë.

Materiale të ndryshme i kanë vlerat e kapacitetit specifik të ngrohjes të ndryshme ose thënë ndryshe substanca të ndryshme thithin sasi të ndryshme nxehtësie që shkaktojnë rritje të njëjtë të temperaturës. Në rast se 1 gram ujë e nxehim me 1 kalori (4.187kJ) temperatura e tij rritet me 1°C, por kjo nuk do të thotë se e njëjta gjë ndodh kur nxehim me 1 kal 1 gr bakër, 1 gr çelik apo 1 gr zing. Duhet të dallojmë ndryshimet për të krahasuar nxehtësinë specifike të të gjitha substancave me ujin.

Në sistemet ftohëse vlerat e nxehtësisë specifike përdoren për të llogaritur kapacitetet e transferimit të nxehtësisë së kërkuar për sasitë e njohura të produktit që ftohet. Për komoditetin brenda një mjeti intensiteti i nxehtësisë duhet të luhatet midis 21÷27°C (65÷80°F).

Figura 7: Paraqitja e gjendjeve të lëndës në varësi të temperaturës së saj Kapaciteti i nxehtësisë është madhësi fizike që tregon aftësinë e trupit për të ruajtur nxehtësinë dhe është përcaktuar si raport i nxehtësisë dhe ndryshimeve të temperaturës, që ndodh për shkak të kësaj. Për gazet dallojmë kapacitet të nxehtësisë me presion konstant (p) dhe vëllim konstant (V):

𝐶𝑃 = � 𝑄𝑇1−𝑇2

�𝑃

= �𝑑𝑄𝑑𝑇� 𝐶𝑝𝑉

𝑚= 𝐶𝑝,𝑣 = 1

𝑚 � 𝑄𝑇1−𝑇2

�𝑝,𝑣

Njësi matëse e kapacitetit të nxehtësisë në sistemin SI është xhaul / Kelvin (J / °K). Kapaciteti për nxehtësinë molekulare – kapacitete të molekulave:

𝐶𝑝𝑉𝑛

= 𝐶𝑝, 𝑣𝑚𝑜𝑙 = 1𝑛

�𝑑𝑄𝑑𝑇�𝑝,𝑣

Njësi matëse të kapacitetit për nxehtësinë molekulare në sistemin SI është xhaul/Kelvin mol (J / °K mol). Kapaciteti specifik i nxehtësisë -- kapacitetet për njësinë e masës:

𝐶𝑝𝑉𝑚

= 𝐶𝑝,𝑣 = 1𝑚

�𝑑𝑄𝑑𝑇�𝑝,𝑣

Njësi matëse e kapacitetit për nxehtësinë specifike në sistemin SI është xhaul/kilogram Kelvin (J/ kg°K). Kapaciteti për nxehtësinë specifike të elementeve në një temperaturë mjaft të lartë (≈300°K) reciprokisht ndryshojnë shumë pak dhe janë rreth 26.12 J / °K mol. Relacioni Mayer jep lidhjen mes cp mol dhe cv mol të gazit ideal: cp - cv = n•R ; cp mol - cv mol = R ku n - është shumatore e substancave dhe R - është konstante e gazeve R = 8.314 J/Kmol

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

16

Nxehtësia e ndjeshme: Nxehtësia që shkakton ndryshim të temperaturës quhet nxehtësi e ndjeshme. Kjo është quajtur kështu sepse ndjehet nga njeriu. Si u tha më lart, nxehtësia e ndjeshme mund të matet duke përdorur një termometër ose pirometër. Efektet e të nxehtit të energjisë maten duke përdorur temperaturën. Teoria na tregon se duke shtuar nxehtësinë në një lëng si uji, do të ketë një rritje proporcionale në temperaturën e tij, e cila mund të matet me një termometër të shkallëzuar. Nxehtësia matet me kalori, kilokalori, etj. Sistemi SI përcakton kalorinë si njësi matje të nxehtësisë; 1 kilokalori është sasia e nxehtësisë që duhet për të ngrohur 1 kg ujë me 1°C (nga temperatura 19.5°C deri në 20.5°C) në presion normal atmosferik. Do të duhen 2 kilokalori për të rritur temperaturën e 1 kg ujë me 2°C ose 2 kg ujë me 1°C. Njësi më e madhe e nxehtësisë është kilokaloria (1000 kalori) ose nxehtësia që duhet për të ngrohur 1 litër ujë për t`i rritur temperaturën me 1°C. Psh: Sasia e ngrohjes e nevojshme për të rritur temperaturën e 1 kg uji në 1°C është 4.2 kJ. Për shembull: 420 kJ është sasia e nxehtësisë që duhet të aplikohet në 1 kg ujë në 0°C për t’a sjellë atë deri në pikën e vlimit në 100 °C. Njësitë: kilokalori, kalori, xhaul (joule), etj janë baza e njësive të nxehtësisë që përdoren në industrinë e ftohjes. Në sistemin amerikan dhe atë anglez nxehtësia shprehet në BTU, TON. Konvertimi i njësive të sistemit SI dhe atij anglez është: 1 kxhaul = 239 kal = 0.948 BTU 1 kal = 0.004 kxhaul = 0.004 BTU

1 BTU = 252 kal = 1.055 kxhaul 1 TON = 12000 BTU

Figura 8: Paraqitja skematike e matjes së nxehtësisë së ndjeshme

Nxehtësia e fshehur (Latente) dhe ndryshimi i gjendjes. Nxehtësia e fshehur është energji termike e nevojshme për të ndryshuar gjendjen e një substance pa ndryshimin e temperaturës. Nxehtësia e fshehtë është nxehtësia që jepet ose absorbohet nga një substancë kur ndodh ndryshimi i gjendjes fizike të lëndës së pastër. Kjo është quajtur e fshehtë, sepse ajo nuk shoqërohet me ndryshime të temperaturës megjithëse lënda vazhdon të nxehet. Çdo lëndë e pastër ka nxehtësi të fshehtë të sajën gjatë kalimit nga gjendja e lëngët në të gaztë, apo nga e ngurta në të lëngët, etj. Nxehtësia mund të ketë një efekt të drejtpërdrejtë në substancë duke i ndryshuar gjendjen. Avullimi është term i përdorur kur nxehtësia e mjaftueshme që ka depërtuar në një substancë shkakton shndërrimin e saj në avull. Kondensimi është kur nxehtësi e mjaftueshme është hequr nga avulli, duke i shkaktuar ndryshim të gjendjes në lëng. Absorbim quhet nxehtësia e fshehur e avullimit dhe nxehtësia e fshehur nga kondensimi. Për shembull: 970 BTU është sasia e nxehtësisë së fshehtë (latente) e absorbuar nga 1 £b (0.454 kg) ujë në 212°F që ndryshon gjendjen nga e lëngshme në avull.

Për të rritur temperaturën e 1 litër ujë nga 40°C në 41°C do të duhet 1 kilokalori. Për të rritur temperaturën e 1 litër ujë nga 81°C në 82°C do të duhet 1 kilokalori. Në rast se do të provojmë të rrisim temperaturën e ujit nga 100°C në 101°C ne nuk do të jemi në gjendje t’a bëjmë. Uji vlon në 100°C dhe ka tendencë të kalojë në gjendje të gaztë dhe jo të rrisë temperaturën. Ndodh diçka e veçantë në pikën e vlimit të lëndëve. Kështu, në rast se do t’i shtojmë 1 kilokalori nxehtësi tek 1 litër ujë, do të vëmë re se temperatura e ujit do të rritet me 1°C çdo herë. Kjo do të ndodhë derisa temperatura të shkojë 100°C, pastaj rregulli ndryshon. Megjithëse ne vazhdojmë shtimin e kilokalorive, uji nuk bëhet më i nxehtë, por ai do të ndryshojë gjendje duke kaluar në gaz. Do të na duhet të harxhojmë 2257 kiloxhaul/kg ose 539 kkalori/kg ose 970 BTU/£b për të avulluar një litër ujë duke mos pasur rritje temperature. Kjo quhet nxehtësi latente e avullimit. Për R12 kjo nxehtësi latente është 38 kkal/kg në 15°C. Në qoftë se do të kemi akull në ujë, të cilin po e nxehim, kjo do të ndodhë pa asnjë ndryshim në leximin e termometrit deri sa temperatura të arrijë 0°C (32°F), më pas akulli do të fillojë të shkrijë. Kjo do të thotë që do të kemi kalimin nga një gjendje e ngurtë në të lëngshme. Kjo ekzistencë e nxehjes rritet më tepër, kur shtojmë më shumë akull që do të shkrihet pa asnjë rritje temperature, deri sa të mos ketë

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1 më akull, atëherë uji do të fillojë të rrisë temperaturën (nxehtësinë e ndjeshme). Kur uji arrin 100°C (212°F), çdo sasi e tepërt e energjisë së shtuar do të rezultojë në ndryshime të porcioneve të lëngut në sasi avulli. Avulli i prodhuar varet nga energjia e nxehtesisë në dispozicion dhe presioni mbi sipërfaqen e ujit që vlon. Ndryshimet e gjendjes së substancës mund të thithin qindra herë më shumë energji që kalon vetëm në rritje të intensitetit. Nxehtësia e fshehur është procesi i zakonshëm i përdorur për të transferuar jashtë nxehtësinë e brendshme të automjetit. Në kuadër të sistemit A/C, një ftohje e suksesshme është që të merret lëng në pikën ku ajo dëshiron të ndryshojë gjendjen (zhduket). Kjo arrihet duke manipuluar me presionin në sistem. Funksioni i sistemit të ngrohjes është që të rrisë ose të ulë kontributin e nxehtësisë së brendshme në automjete. Në motorët me djegie të brendshme afërsisht vetëm rreth 30% e energjisë është efikase, që konvertohet në energji të dobishme. Një pjesë e kësaj energjie është transferuar në sistemin e ftohjes, një pjesë shërben si burim ngrohje në brendësi të mjetit dhe pjesa tjetër humbet. ENTALPIA

Entalpia përfaqëson sasinë totale të nxehtësisë që merr 1 kg gaz (1 £b substancë) nga temperatura 0°K deri në një temperaturë të dhënë, kur presioni i gazit qëndron konstant. Në të përfshihen nxehtësitë e fshehta e ato të ndjeshme. Entalpia paraqet energjinë e plotë të trupit të punës për një gjendje të dhënë të tij. Ajo jepet si shumë e energjisë së brendshme (u) me energjinë potenciale të presionit (pv): i = u + p v

Njësia matëse në sistemin metrik SI është J/kg, kkal/kg, etj. Entalpia është masa e përmbajtjes energjetike të përdorshme e një substance. Kur temperatura e një lëngu rritjet, ajo gjithashtu rrit entalpinë. Kur kemi ndryshime nga lëng në avull nëpërmjet ngrohjes ajo nuk ka rritje të temperaturës së ndjeshme (kemi temperaturë latente), por entalpia rritet. Cili është ndryshimi midis energjisë së brendshme dhe entalpisë? Entalpia numerikisht është e barabartë me shumën e energjisë së brendshme që ka gazi në atë temperaturë plus punën që kryen si rezultat i zhvendosjes së pistonit që presioni të mbetet konstant. Kjo punë është e barabartë me produktin e presionit me vëllimin që ka gazi në atë temperaturë. Energjia e brendshme kur lënda po ndryshon gjendje, nuk ndryshon edhe pse lënda vazhdon të nxehet. Entalpia varet nga gjendja e trupit të punës, dmth ajo është gjithashtu parametër i gjendjes dhe paraqitet në funksion të dy të tjerëve: i = f (T, p) i = f (p, v) i = f (v, T) Entalpia ka përgjithësisht vetitë e energjisë së brendshme, dmth:

• Ajo duke paraqitur energjinë e plotë të sistemit, është parametër i gjendjes së tij • Ndryshimi i saj për një proces elementar, për një proces të kufizuar nga gjendjet 1e 2 dhe për një

cikël është i barabartë me: di = δq – δl [J/kg] • Ajo është madhësi adidive: i = ∑ ii • Përcaktimi i saktë i madhësisë absolute të saj bëhet duke marrë entalpinë zero.

Edhe për entalpinë nga pikëpamja termodinamike ka më shumë interes llogaritja e ndryshimit të saj gjatë një procesi dhe jo ajo e madhësisë absolute. ENTROPIA

Entropia mat energjinë e shpërndarë në një sistem pjestuar me temperaturën. Ky raport përfaqëson tendencën e energjisë të shpërndahet, të difuzojë, të zvogëlohet koncentrimi në një zonë fizike ose në një gjendje energjitike. Pra, shtesa e entropisë përfaqëson sasinë e nxehtësisë që merr 1 kg gaz kur temperatura ndryshon me 1°K. Ndryshimi i entropisë kur temperatura ndryshon, jep nxehtësinë që jep ose merr një gaz për atë ndryshim temperature. Molekulat në temperaturë mbi 0°K kanë energji të brendshme, që rritet me rritjen e temperaturës. Ato shtojnë lëvizshmërinë e tyre me rritjen e temperaturës, duke rritur shpejtësinë dhe duke u përplasur me njëra-tjetrën, duke u rrotulluar e vibruar në lëng apo gaz. Rritja e lëvizshmërisë së molekulave bën që të mundësohet shpërndarja e nxehtësisë, të rritet presioni i gazit, etj. Shtesa e entropisë: ∆s = ∆q / T [kkal / kg °K] Entropia matet me kalori për kg për çdo ndryshim me 1 gradë temperaturë të substancës; ku delta - ∆ është shenjë e ndryshimit; q – nxehtësia; T - temperatura

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

17

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1 E shkruar në trajtë diferenciale: δq ≤ T • ds shtesa e entropisë jep shprehjen analitike të Ligjit të dytë të termodinamikës, i cili formulohet në këtë mënyrë: “Mund të gjendet një parametër i gjendjes së sistemit, i quajtur entropi, i tillë që ndryshimi i funksionit të tij, për proceset reversibël të jetë i barabartë me raportin ndërmjet sasisë së nxehtësisë që i komunikon sistemi dhe temperaturës absolute të burimit të kësaj nxehtësie (me nxehtësinë e reduktuar), ndërsa për proceset ireversibël të jetë më i madh se ky raport”. Duke qenë parametër i gjendjes, entropia sikurse vëllimi specifik, presioni, temperatura, energjia e brendshme dhe entalpia, në çdo gjendje ekuilibri ka vetëm një vlerë të saj dhe për një sistem njëfazësh homogjen llogaritet në funksion të dy parametrave të tjerë: s= f (T, p) s= f (p, v) s= f (v, T) Meqenëse entropia nuk i nënshtrohet demonstrimit, kuptimi fizik i saj në krahasim me parametrat e tjerë të gjendjes është mjaft abstrakt dhe shpjegohet vetëm me termodinamikën statistike. Përcaktimi i vlerës absolute dhe i ndryshimit të entropisë nuk mund të bëhet eksperimentalisht, por vetëm në rrugë analitike. Entropia ka këto veti:

• Ajo është parametër i gjendjes së sistemit, sikurse madhësite e tjera termodinamike v, p, T, u, i, dmth ndryshimi i saj nuk varet nga rruga e procesit

• Ndryshimi i saj për proceset elementare termodinamike reversibël i paraqitur me ekuacionin diferencial të mësipërm tregon komunikimin e nxehtësisë. Kështu kur ds > 0 δq < 0 sistemi merr nxehtësi ds = 0 δq = 0 sistemi është termikisht i izoluar ds < 0 δq < 0 sistemi jep nxehtësi

• Ajo është madhësi adidive, ashtu sikurse energjia e brendshme u dhe entalpia i, dmth është parametër ekstensiv. Entropia e një sistemi të përbërë është e barabartë me shumën e entropive të pjesëve të veçanta të tij: s = ∑ si

• Përcaktimi i madhësisë absolute të entropisë bëhet duke marrë parasysh entropinë zero. Megjithatë edhe për entropinë, sikurse për energjinë e brendshme dhe entalpinë, interes praktik

paraqet përcaktimi i ndryshimit të saj dhe jo vlera absolute. Vetëm për proceset e realizuara me ndryshimin e masës është e domosdoshme të merret entropia absolute, dmth të njihet edhe vlera e entropisë zero.

INSTRUMENTET TERMODINAMIKE Janë dy lloje të instrumenteve termodinamike, matësi (njehsori) dhe sistemi (rezervuari). Një matës termodinamik është çdo lloj pajisje, e cila mat çfarëdo parametri të një sistemi termodinamik. Në disa raste, në fakt parametri termodinamik përcaktohet nën kushtet e një instrumenti matës të idealizuar. Për ilustrim, Ligji i zeros thotë se nëse dy trupa janë në ekuilbër termik me një trup të tretë, atëherë ata dy trupa janë në ekulibër termik me njëri-tjetrin. Ky parim, si e përmendi James Maxwell në vitin 1872, pohon se është e mundshme t’i matet temperatura. Një termometër ideal është një mostër e një gazi ideal në shtypje konstante. Prej ligjit për gazin ideal p•V = n•R•T, vëllimi i një mostre të tillë mund të përdoret si indikator i temperaturës; në këtë mënyrë e përcakton temperaturën. Edhe pse shtypja është e definuar mekanikisht, pajisja për matjen e shtypjes, e quajtur barometër mund të konstruktohet prej një mostre të gazit ideal të mbajtur në temperaturë konstante. Kalorimetri është pajisje e cila e mat dhe e përcakton energjinë e brendshme të sistemit.

Një rezervuar termodinamik është një sistem i cili është aq i madh sa nuk i ndryshon dukshëm parametrat e gjendjes kur është në kontakt me sistemin pilot/provues. Përdoret për të vënë një vlerë të caktuar parametrit të gjendjes mbi sistemin. Për ilustrim, rezervuari i shtypjes është një sistem me një shtypje të caktuar, i cili ngarkon me atë shtypje cilindo sistem provues që është i lidhur mekanikisht me të. Atmosfera e tokës shpesh përdoret si rezervuar i shtypjes. Është me rëndësi të thuhet se këto dy lloje instrumentesh janë të ndryshme. Një matës nuk i paraqet të sakta detyrat e tij nëse sillet si rezervuar i parametrit të gjendjes, të cilin është duke tentuar t’a masë. Nëse, për ilustrim, një termometër, do të duhej të vepronte sikur rezervuar i temperaturës, ai do t’i ndryshonte temperaturat e sistemit që do t’i kishte matur dhe leximi i tyre do të ishte i gabuar. Matësit

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

18

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1 ideal nuk kanë efekt në parametrat e gjendjes së sistemit të cilat ato po i masin. GJENDJET TERMODINAMIKE Kur një sistem është në ekuilibër në kondita të dhëna thuhet se e ka të përcaktuar gjendjen. Gjendja e sistemit mund të përshkruhet si një numër ekstensiv dhe intensiv të variablave. Parametrat e sistemit mund të përshkruhen me anë të një ekuacioni të gjendjes i cili specifikon marrëdhëniet e këtyre ndryshoreve. Gjendja mund të mendohet si një përshkrim sasior i çastit të sistemit me një numër të caktuar variablash të mbajtura konstante. Atëhere një gjendje e çfardoshme e trupit të punës së sistemit varet nga parametrat termodinamik të tij, që përcaktohet në varësi të pozicionit në hapësirë dhe çastit kohor; kështu: Ekuacioni për gjendjen e paekuilibruar në kushtet jostacionare shprehet: f (p, v, T, x, y, z, τ) = 0 Ekuacioni për gjendjen e paekuilibruar në kushtet stacionare shprehet: f (p, v, T, x, y, z,) = 0 Për gjendjen e ekuilibruar të sistemit, ekuacioni i gjendjes shkruhet: f (p, v, T) = 0 që evidenton ligjin e Amagates, sipas të cilit: vëllimi i një gazi të përzier, për një presion e temperaturë të dhënë, është i barabartë me shumën e vëllimeve që do të zinin të gjithë komponentet për të njëjtat kushte. POTENCIALET TERMODINAMIKE Si mund të nxirret prej ekuacionit të energjisë së balancuar në një sistem termodinamik ekzistojnë madhësi energjetike të quajtura potenciale termodinamike, si matëse sasiore/kuantative e energjisë së ruajtur në një sistem. Katër potencialet më të njohura janë:

Emri Simboli Formula Variablat natyrore Energjia e brendshme U 𝑇𝑆 − 𝑝 𝑉 + 𝜇𝑖 𝑁𝑖 𝑆,𝑉, {𝑁𝑖} Energjia e lirë e Helmholtzit F, A 𝑈 − 𝑇 𝑆 𝑇,𝑉, {𝑁𝑖} Entropia H 𝑈 + 𝑝 𝑉 𝑆,𝑝, {𝑁𝑖} Energjia e lirë e Gibbsit G 𝑈 + 𝑝 𝑉 − 𝑇 𝑆 𝑇,𝑝, {𝑁𝑖} Energjia potenciale e Grandit Ω, 𝛷𝐺 𝑈 − 𝑇 𝑆 − 𝜇𝑖 𝑁𝑖 𝑇,𝑉, {𝜇𝑖}

Tabela 2: Potencialet termodinamike Potencialet përdoren për të matur ndërrimet e energjisë në sistem, kështu që ato zhvillohen prej gjendjes fillestare tek gjendja përfundimtare. Përdorimi i potencialeve varet prej përmbajtjes së sistemit: si temperatura ose shtypja konstante. Energjia e brendshme është energjia e brendshme e sistemit, entalpia është energjia e brendshme plus energjia që lidhet me punën presion-vëllim dhe energjitë e lira të Helmholtz – it dhe Gibbs – it janë energji në dispozicion në sistem që përdoren për të kryer punë kur temperatura dhe vëllimi ose shtypja dhe temperatura janë të pandryshuara. PROCESET TERMODINAMIKE Procesi termodinamik mund të definohet si zhvillim energjetik i sistemit termodinamik i cili kalon prej gjendjes fillestare tek gjendja përfundimtare. Në mënyrë tipike, secili proces termodinamik ndryshon prej proceseve të tjera, në karakter energjetik, sipas asaj se cili parametër (temperatura, vëllimi, shtypja, etj) mbahet konstant. Veç kësaj, është me rëndësi t’i grupojmë këto procese në çifte, në të cilën secila ndryshore e cila mbahet konstant është anëtar i një çifti të konjuguar. Gjashtë proceset termodinamike më të shpeshta janë paraqitur më poshtë:

• Procesi izobarik ndodh në shtypje konstante • Procesi izohorik (izometrik/izovolumetrik) ndodh në vëllim konstant • Procesi izotermik ndodh në temperaturë konstante • Procesi izotropik ndodh në entropi konstante • Procesi izoentalpik ndodh në entalpi konstante • Procesi adiabatik ndodh pa humbje dhe marrje/pranim të nxehtësisë.

LIGJET E TERMODINAMIKËS Në termodinamikë, janë katër ligje me vlefshmëri të përgjithshme, aq sa ato nuk varen nga pjesët

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

19

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

20

që bashkëveprojnë ose sistemi që studiohet. Prandaj, ato mund të aplikohen në sisteme tek të cilat nuk dihet asgjë, veçse balanca e energjisë dhe shkëmbimi i materies. Shembuj të tillë përfshijnë parashikimin e Einstein–it për emetimin spontan në shek. XX dhe hulumtimet e tanishme në termodinamikën e vrimave të zeza (black holes). Katër ligjet janë:

1. Ligji i zeros në termodinamikë, i cili thotë se për sistemet në të majtë është më e vështirë për të aritur një balancë: termike, kimike, mekanike, pas disa kohësh, shërben për përcaktimin e temperaturës. Temperatura është një karakteristikë skalare e sistemeve termodinamike në ekuilibër, në mënyrë të tillë që barazia e temperaturës është kusht i nevojshëm për ekuilibër termodinamik. Pra, Ligji i zeros i termodinamikës thotë se ekuilibri termodinamik është një relacion ekuivalencial -- Nëse dy sisteme termodinamike janë në ekuilibër termik me sistemin e tretë, atëherë ato dy sisteme janë në ekuilibër termik me njëri-tjetrin.

2. Ligji i parë i termodinamikës, rreth konservimit/ruajtjes së energjisë – Energjia nuk mund të jetë krijuar nga asgjëja, as nuk mund të jetë zhdukur, por mundet vetëm të transferohet nga një formë në një tjetër ose nga një trup në tjetrin. Kështu, rritja e energjisë së një sistemi të mbyllur është e barabartë me sasinë e energjisë së shtuar sistemit me anë të nxehtësisë, minus sasinë e humbur të punës së bërë të sistemit në rrethinë.

3. Ligji i dytë i termodinamikës, rreth entropisë – Është e pamundur procesi i kalimit të nxehtësisë në mënyrë spontane nga një trup me temperaturë më të ulët në një trup me temperaturë më të lartë. Në të kundërt, flasim për humbjen e punës për shkak të pakthyeshmërisë së procesit, dmth në procesin e vërtetë, kthimi në pikën fillestare për të ribërë energjinë. Kjo pakthyeshmëri është matur me rritjen e entropisë. Pra, Ligji i dytë i termodinamikës thotë se: Entropia totale e një sistemi të izoluar termodinamik tenton të rritet sa herë që i afrohet vlerës maksimale.

4. Ligji i tretë i termodinamikës, rreth temperaturës absolute – Nuk është e mundur numri i caktuar i proceseve për të ulur temperaturën e çdo sistemi në 0°K. Të gjitha entropitë janë të njëjta në 0°K dhe shuma është zero (entropia e të gjitha sistemeve dhe nënsistemeve kanë tendencë tek vlera të barabarta në 0°K). Pra, Ligji i tretë i termodinamikës thotë se: kur sistemi asimptotikisht i afrohet temperaturës zero absolute të gjitha proceset pothuaj mbarojnë dhe entropia e sistemit asimptotikisht i afrohet vlerës minimale. Në themel të matjes së temperaturave (që bëhet me anë të termometrave), është i ashtuquajturi

Ligji zero i termodinamikës. Të gjithë termometrat janë ndërtuar duke shfrytëzuar ndryshimin e vetive specifike të lëndëve të ndryshme në varësi të temperaturës (si të vëllimit, rezistencës elektrike, etj). Mjaft të përdorur janë edhe termometrat me lëng (psh ato me zhivë). Duke pranuar lëngun e termometrit në vend të trupit të tretë, Ligji zero i termodinamikës formulohet si më poshtë: “Dy trupa në kontakt ose jo me njeri-tjetrin janë në ekuilibër termik nëse kanë të njejtën temperaturë”. Ky formulim, në dukje i parëndësishëm, është ndër ligjet bazë të termodinamikës. Ligji zero i termodinamikës është evidentuar dhe quajtur i tillë në 1931 nga R. H. Fowler rreth 1 shekull pas 2 ligjeve të parë dhe të dytë të termodinamikës. Ligji i parë i termodinamikës është një rast i veçantë i ligjit të përgjithshëm të natyrës, të ruajtjes

dhe shndërrimit të energjisë, të zbatuar në fenomenet termike, i cili duke ju referuar vetëm nxehtësisë dhe punës shkruhet në formën Q = L. Kjo shprehje e vlefshme për një sistem termodinamik të çfardoshëm, jep barazvlerën ndërmjet punës e nxehtësisë dhe interpretohet kështu: “Gjithnjë kur harxhohet një sasi nxehtësie Q, prodhohet një sasi plotësisht e përcaktuar e punës L dhe në të kundërtën”: “Kur harxhohet një sasi e punës L, prodhohet një sasi plotësisht e përcaktuar e nxehtësisë Q”. Figura 9: Ilustrimi i ekuacionit të Ligjit të

parë të termodinamikës Në këtë formulim qëndron përmbajtja e Ligjit të parë të termodinamikës, i cili kundërshton

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1 “Perpetuum mobile të llojit të parë” që do të ishte një makinë që do të prodhonte vazhdimisht punë, pa harxhuar energji të një lloji tjetër. Ligji i parë i termodinamikës tregon pamundësinë e ndërtimit të Perpetuum mobile të llojit të parë, që do të krijojë (mundësojë) energji nga asgjëja.

Ligji i parë lidhet dhe me ruajtjen e masës, e cila duke ruajtur sasinë e saj në të gjitha proceset, gjithashtu nuk krijohet dhe nuk humbet. Sipas Ligjit të parë të termodinamikës mund të themi: Energjia dhe masa nuk krijohen, as nuk humbin, por vetem shndërrohen ose transmetohen. Në sistemet e mbyllura nuk kemi ndryshim të masës gjatë procesit të ndryshimit të gjendjes, pra në këtë rast nxehtësia dhe puna e shkëmbyer ndikojnë vetëm në ndryshimin e energjisë së brendshme. Kështu: “Për një sistem termodinamik të mbyllur, kur ndërveprimi i punës është zero, nxehtësia e komunikuar është e barabartë me ndryshimin e energjisë së brendshme të trupit”. Domethënë për sistemet e mbyllura dhe të izoluara termikisht, puna e shkëmbyer është e njejtë me ndryshimin e energjisë së brendshme: ∆U = ± L Për sistemet e hapura si rezultat i komunikimit të masës në kufijtë e imagjinuar të sipërfaqes së kontrollit kemi ndikim dhe në energjitë e tjera. Në këto kushte energjia e plotë e këtyre sistemeve përbëhet nga energjia e brendshme (U) dhe nga energjitë makroskopike kinetike (EK) dhe potenciale (EP). Pra: “Në sistemet e hapura termodinamike, nxehtësia përdoret jo vetëm për ndryshimin e energjisë së brendshme dhe për kryerjen e punës së jashtme, por edhe për ndryshimin e energjive makroskopike kinetike dhe potenciale”. Ligji i ruajtjes së energjisë është një ligj empirik i fizikës, që thotë se: energjia nuk mund të krijohet, as nuk zhduket, por transformohet vetëm nga një formë në tjetren. E vetmja gjë që mund të ndodhë me energjinë në një sistem të mbyllur, është se ajo mund të ndryshojë formë, për shembull, energjia kimike mund të transformohet në energji kinetike. Teoria e relativitetit e Einsteinit, tregon se energjia e masa janë të njëjtat gjëra që ekzistojnë pa dëshirën e njeriut. Një karakteristikë e re e fizikës relativiste është se grimcat (të tilla si ato që përbëjnë atomin) mund të konvertohen në energji lëndore, të tilla si: drita ose energjia kinetike, potenciale (psh ngrohje). Megjithatë, ky transformim nuk do të ndikojë në peshën e përgjithshme të sistemit për shkak të llojit të fundit të energjisë jo-materiale që ruajnë ende në masën e tyre ndonjë konvertim të tillë. Sot, ruajtja e "energjisë" i referohet ruajtjes të energjisë së sistemit me kalimin e kohës. Kjo energji përfshin energjinë e lidhur me masën e grimcave dhe të gjitha format e tjera të energjisë në sistem. Përveç kësaj, në masën tjetër të sistemit të grimcave (sistemit masiv në qendër të gravitetit të kornizës inerciale, të tilla si një kornizë në të cilën sistemi duhet të peshojë) është ruajtur edhe me kalimin e kohës (në krahasim me energjinë totale). Kështu, në një sistem të izoluar, edhe pse këto masa (grimca me një masë fillestare) dhe "energji e pastër" (për ngrohje dhe dritë) mund të konvertohen në një tjetër energji, shuma e përgjithshme e energjisë në masën e përgjithshme të këtyre sistemeve është ruajtur me kalimin e kohës. Nëse një formë energjie është “larguar" nga sistemi, masa e sistemit do të reduktohet në përputhje me sasinë e humbur të energjisë. Pasojë e këtij ligji është se lëvizja e vazhdueshme e një makine mund të gjenerojë punë, në qoftë se nuk do të lëshojë energji në mjedis. Nëse këto makina prodhojnë më shumë energji se sa u shpenzua për t’i lëshuar, makinat duhet të humbasin peshë dhe pas një kohe të gjatë nuk do të ekzistojnë më, prandaj kjo nuk është e mundur. Tentativa e parë për të formuluar matematikisht llojin e energjisë të lidhur me mocionin: energji kinetike, Leibnizi konstatoi se shumë sisteme mekanike (me masë m dhe secili me shpejtësi v) mund të shpreheshin me relacionin: ∑ 𝑚𝑖

2𝑖 𝑣𝑖

të ruajtur për aq kohë sa masat nuk bashkëveprojnë. Ai e quajti këtë sasi të vis-viva (fuqi që jetonë në sistem). Parimi është një deklaratë e saktë e ruajtjes së përafërt të energjisë kinetike në situata ku nuk ka fërkime. Shumë fizikantë të kohës besonin se konservimi i momentit, mbetet i njëjtë në sistemet me fërkime, si përcaktohet nga momenti: ∑ 𝑚𝑖𝑖 𝑣𝑖 ruhet forca e jetesës. Më vonë është vërtetuar se në kushte të përshtatshme, dy sasi energjie mbeten në të njëjtën kohë, për shembull, në goditjet elastike.

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

21

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1 Kjo është e dukshme në analizat moderne bazuar në Ligjin e dytë të termodinamikës: 1

2∑ 𝑚𝑖𝑣𝑖2𝑖

që mund të kuptohet si një kërkesë e vlerës së saktë për vazhdimësinë e kthimit të energjisë kinetike në punë. Ligji i dytë i termodinamikës, sikurse Ligji i parë i saj, është formuluar në bazë të të dhënave të

shumta të praktikës. Në qoftë se Ligji i parë studion nga ana sasiore barazvlerën ndërmjet nxehtësisë dhe punës, Ligji i dytë studion drejtimin e kryerjes së proceseve reale, dmth mundësinë e shndërrimit të ndërsjelltë të nxehtësisë dhe të punës, si dhe ndikimin e potencialeve të energjive në realizimin e këtyre proceseve. Me paraqitjen e anës cilësore të shndërrimit të nxehtësisë në punë, e në të kundërtën, të punës në nxehtësi, Ligji i dytë përcakton veçorinë që ka energjia termike në krahasim me energjinë mekanike dhe me lloje të tjera të energjisë. Puna mund të shndërrohet plotësisht në nxehtësi (psh me anë të fërkimit), shndërrimi i plotë i nxehtësisë në punë është i pamundur; ky shndërrim është i lidhur me kushte kufizuese. Energjia mekanike, energjia elektrike, energjia e forcave magnetike, etj mund të shndërrohen plotësisht në energji termike; ndërsa energjia termike, meqënëse lidhet me kushtet kufizuese të saj dhe pikërisht me diferencën e temperaturave ndërmjet të paktën dy burimeve të nxehtësisë mund të shndërrohet vetëm pjesërisht në këto lloje të energjisë. Gjithashtu një pjesë e nxehtësisë detyrimisht i kalon burimit të ftohtë (mjedisit rrethues). Njeri nga burimet quhet burim i nxehtë ose i sipërm dhe tjetri burim i ftohtë ose i poshtëm. Kjo do të thotë se energjia mekanike, energjia elektrike, energjia e forcave magnetike, etj paraqesin epërsi përkundrejt energjise termike. Po kështu, me anë të Ligjit të dytë të termodinamikës, provohet dhe epërsia e energjisë termike me temperaturë më të lartë, ndaj asaj me temperaturë më të ulët. Nga ana tjetër, Ligji i dytë i termodinamikës merret më tej me kushtet e ekuilibrit termodinamik. Ligji i parë nuk e ka plotësuar një gjë të tillë, sepse nuk ka bërë vlerësimin e plotë mbi reversibilitetin dhe ireversibilitetin dhe, si rrjedhojë, as mbi dukuritë që lidhen me këto procese e sidomos me shpërndarjen dhe përqendrimin e energjisë. Nëpërmjet Ligjit të dytë të termodinamikës përcaktohen, gjithashtu, cilësitë e trupave të ndryshëm, duke u nisur nga cilësitë e njohura të disa trupave të tjerë, si dhe vendosen raportet ndërmjet tyre. Me këtë Ligj shpjegohet edhe kuptimi termodinamik i temperaturës absolute. Për Ligjin e dytë të termodinamikës janë dhënë shumë interpretime, por më kryesoret, megjithëse të barasvlershme me njeri-tjetrin janë postulatet e: Kelvin-Plankut: “Është e pamundur të ndërtohet një makinë termike, e cila duke punuar sipas një cikli, të realizojë ngritjen e një ngarkese dhe ftohjen e një burimi të nxehtë” (Është e pamundur që një motor të shndërrojë të gjithë nxehtësinë që i jepet atij në punë, një pjesë e kësaj nxehtësie kalon në burimin e ftohtë). Si burim i ftohtë në motorat termike shërben mjedisi rrethues (atmosfera). Klausiusit: “Nxehtësia nuk mund të kalojë vetvetiu nga një trup me temperaturë më të ulët në një trup me temperaturë më të lartë”. Këto postulate provojnë se, gjatë shndërrimit të nxehtësisë në punë, nëpërmjet një cikli termodinamik të trupit të punës, është e domosdoshme prania e të paktën dy burimeve të nxehtësisë, burimit të nxehtë dhe burimit të ftohtë me diferencë temperaturash ndërmjet tyre. Ligji i dytë i termodinamikës kundërshton “Perpetuum mobile të llojit të dytë”, sipas të cilit mund të ndërtohet një makinë termike pothuajse e përhershme. Kjo makinë do të prodhonte punë vetëm për llogari të ftohjes së trupave, dmth me praninë e një burimi të vetëm të nxehtësisë. Ligji i dytë i termodinamikës: Entropia është në funksion të sasisë së nxehtësisë që tregon mundësinë e konvertimit të ngrohjes në punë. Për një sistem termodinamik me një numër të grimcave të Ligjit të parë të termodinamikës mund të shprehet si: dQ = dU + dW ose ekuivalente dU = dQ - dW ku dQ -- sasia e nxehtësisë e shtuar në sistem në procesin e ngrohjes, dW-- sasia e energjisë që sistemi ka humbur për shkak të punës që bëri në këtë sistem apo mjedisin e tij dhe ndryshimin e energjisë së brendshme në sistem. Germa d-- emërtim përpara për ngrohjen dhe punën, që reflekton një rritje të energjisë që duhet të interpretohet disi ndryshe nga d-- rritja e energjisë së brendshme.

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

22

SISTEMET E SIGURISE DHE KONDICIONIMIT Leksioni 1 Nxehtësia dhe puna janë procese që të shtojne ose zvogëlojnë energjinë, ndërsa energjia e brendshme është një formë e veçantë e energjisë e lidhur me sistemin. Kështu termi "energji termike" për δQ që do të thotë "sasia e energjisë së shtuar si rezultat i ngrohjes", por ajo i referohet një forme të veçantë të energjisë. Në mënyrë të ngjashme, termi "punë e energji" për δW do të thotë “sasia e energjisë së humbur si rezultat i punës”. Rezultat i rëndësishëm i këtij dallimi është fakti se ne mund të shprehin qartë sasinë e energjisë së brendshme të poseduar nga sistemi termodinamik, por nuk mund të themi se sa energji ka në sistem, apo ka dalë prej tij si rezultat i ngrohjes ose ftohjes së tij, apo rezultat i të cilit, puna është përfunduar ose që u ekzekutua në sistem. T’a themi thjesht, kjo do të thotë se energjia nuk mund të krijohet, as të zhduket, por konvertohet vetëm nga një formë në një tjetër. Për një sistem të thjeshtë që mund të jetë ngjeshur, puna e kryer nga ana e sistemit mund të shkruhet: dW = P • dV P-- presion; dV-- një ndryshim të vogël në vëllim të sistemit, të cilët përfaqësojnë variabla të sistemit. Energjia termike mund të shkruhet si: dQ = T • dS T–temperatura; dS- një ndryshim i vogël në entropi të sistemit, të cilët përfaqësojnë variabla të sistemit. Ligji i tretë i termodinamikës

Citime dhe humor: Një shaka e shpeshtë shkencore, e thënë nga C. P. Snow shpreh 4 ligjet thjeshtë dhe çuditërisht saktë, në këtë mënyrë: Zeroja: "You must play the game" (Ti duhet t’a luash lojën) I pari: "You can’t win" (Ti s’fiton dot) I dyti: "You cant’t break even" (Ti s’ke aftësi për të dhënë të ardhura, s’ke rentabilitet) I treti: "You can’t quit the game” (S’mund t’a lësh lojën) Citim: "Termodinamika është një lëndë zbavitëse. Herën e parë që e lexon, s’e kupton dot fare. Herën e dytë që e lexon, ti mendon se e kupton, përveç një ose dy gjërave. Herën e tretë që e lexon, ti e di që s’do ta kuptosh, por në atë kohë ti je mësuar me të, nuk të bezdis tashmë": – Arnold Sommerfeld. PARIMET E TERMODINAMIKËS Janë parime të termodinamikës të cilat zbatohen në të gjitha lemitë e zbatimeve të energjisë, por edhe në ligjet e lëvizjeve sociale, biologjike, psikologjike dhe informative.

1. Parimi i parë : sasia e nxehtësisë që futet në një sistem shkon në rritjen e energjisë së brendshme të sistemit dhe në kryerjen e një pune përkundër ambjentit përreth.

2. Parimi i dytë apo ligji entropise: në sistemet e izoluara entropia e tij është gjithmonë në rritje. Ndërrimi i entropisë së një sistemi definohet si shumë e tërësishme apo integral i ndërrimeve të nxehtësisë pjestuar me temperaturën e sistemit në shqyrtim. Kur theksojmë entropinë (shënohet me S), aludojmë në ndërrimin e saj, por duke filluar nga vlera e saj zero. (E njëjta gjë vlen edhe me definimin e potencialit apo distancës). Me ndërrimin e entopisë së sistemit të caktuar analizohet kahja e lëvizjes së proceseve fizike, kimike, biologjike, etj. Kur ndërrimi i entropisë (delta S) është më i madh se zero procesi është irreversibël (i pakthyeshëm), kur ndërrimi është zero procesi është reversibël dhe kur ndërrimi në fjalë ka vlerën më të vogël se zero procesi është i pamundur.

Këtu shihet roli i gjithanshëm i ligjit të ndërrimit të entropisë apo parimit të dytë të termodinamikës. Me anë të tij parashihen lëvizjet e proceseve në shkencë, shoqëri dhe kahet e rrjedhjes së informacioneve. Entropia në aspektin informativ definohet si shkallë e çrregullsisë. Çrregullsia apo kaosi dhe rregullsia janë procese fondamentale në të gjitha lemitë e hulumtimeve. Të themi psh që Universi si sistem i izoluar ka një entropi në rritje për çka dihet që ai zgjerohet në mënyrë të pakthyeshme.

Parimi i tretë në fakt quhet parimi zero i termodinamikës. Këtë nuk po e trajtojmë, por vetëm themi se ai ndihmoi në definimin e temperaturës dhe për t’a kuptuar shumë lehtë, të mendojmë situatën si vijon: kur dy madhësi janë të njëjta me një madhësi të tretë atëhere ato janë të njëjta edhe me njëra-tjetrën. Këto që u trajtuan më sipër i përkasin termodinamikës fenomenologjike.

Lektore Msc. Ing. Eli Vyshka

23