TERMODINAMIKA (definicije koje bi se mogle naći na ispitu)

Denis Ljuma

TERMODINAMIKAI KOLOKVIJ

Termodinamika je nauka koja se bavi izračunavanjem pojava vezanih za trensformaciju energije i uslova pod kojima je ta transformacija moguća.

Zadatak termodinamike je utvrđivanje fizikalnih zakonitosti kojim se objašnjavaju i opisuju procesi transformacije energije i ispitivanje međudjelovanja termodinamičkog sistema i okoline. Termodinamika izučava stanje materije i promjene unutar materije.

Podjela termodinamike u zavisnosti od pristupa proučavanja materije i promjenama unutar materije:-makroskopska (klasična)-mikroskopska (statistička)

Klasična termodinamika proučava termodinamički sistem i promjene stanja sistema sa makroskopskog stanovišta, bez dubljeg ulaženja u građu materije.

Statistička termodinamika posmatra termodinamički sistem kao skup vrlo velikog broja elementarnih čestica i osobine sistema se proučavaju na osnovu osobina tih čestica.

Prvi postulat ravnoteže koji kaže da svaki sistem prirodnih tijela teži ravnotežnom stanju, a kada postigne to stanje ne može ga više sam od sebe mijenjati. Drugi postulat ravnoteže koji se još u literaturi naziva i nultim zakonom termodinamike koji uspostavlja vezu između sistema koji se nalaze u termičkoj ravnoteži. Ako su tijelo A i B u termodinamičkoj ravnoteži i tijelo B i C također u ravnoteži, onda su tijelo A i C u termodinamičkoj ravnoteži.

Prvi zakon termodinamike glasi, energija izolovaog sistema je konstantna, odnosno prirast energije je jednak nuli. Eul = ∆E + Eiz Q1/2 = U2 - U1 + L1/2

Drugi zakon termodinamike koji definiše smjer odvijanja procesa u prirodi i izražava karakter tih procesa.

Treći zakon termodinamike koji omogućava određivanje entropije kao termodinamičke veličine.

Radno tijelo je materija koja se koristi u mašinama za dobijanje rada, sa osobinom da se u njemu može akumulirati određena količina energije i po potrebi oduzeti.

Idealni gas je zamišljena materija , čiji su molekuli loptastog oblika, zanemarljivog prečnika i konačne mase, a međumolekulima vladaju zanemarljivo male međumolekularne sile.

1

Termodinamički sistem je onaj dio svijeta koji je predmet termodinamičkog proučavanja. Sistem je određena količina materije koja je nama zanimljiva za razmatranje.

Izentropa predstavlja povratnu adijabatsku promjenu.

Vrste termodinamičkih sistema:-otvoren (omogućena razmjena materije i energije)-zatvoren (nema razmjene materije, ali ima energije)-izolovan (nema razmjene ni materije, ni energije)-adijabatski (sistem koji sa okolinom može izmjenjivati rad, ali ne i toplotu)

Homogeni termodinamički sistem je onaj sistem čije su osobine jednake u svim njihovim djelovima ili se kontinuirano mijenjaju.

Heterogeni termodinamički sistem je onaj sistem čije su osobine nejednake u svim njihovim djelovima.

Granice termodinamičkih sistema:-izolirane-adijabatske -dijatermičke-pokretne-nepokretne

Isparavanje je proces prelaska materije iz tečnog u gasovito stanje.

Kondenzacija je proces prelaska materije iz gasovitog u tečno stanje.

Sublimacija je proces direktnog prelaska iz čvrstog u gasovito stanje.

Parametri:-ekstenzivni (parametri koji uzimaju u obzir masu materije masa, zapremina, unutrašnja energija)-intenzivni (parametri koji ne uzimaju u obzir masu pritisak, temperatura, entalpija)

-interni (definišu stanje nekog sistema, još se nazivaju veličinama stanja)-eksterni (definišu sistem u odnosu na okolinu)

Osnovne termodinamičke veličine stanja su temperatura, pritisak i specifična zapremina.

Temperatura je mjera ili pokazatelj srednje vrijednosti kinetičke energije translatornog kretanja molekula posmatranog termodinamičkog sistema. Za toplotno stanje materije mjerodavna je apsolutna temperatura. Njena vrijednost u SI sistemu dobija se korištenjem Kelvinove (0°C = 273,15K) temperaturne skale.

gdje su:B-koeficijent proporcionalnosti

2

T-temperaturam-masav-srednja brzina kretanja velikog broja molekula

Materija je uopšteno sve što nas okružuje.

Instrumenti za mjerenje temperature mogu se podijeliti na: - instrumente koji rade na principu kontaktnog mjerenja temperature i - instrumente koji rade na principu beskontaktnog mjerenja temperature (termografija)

Temperaturne skale:-Faranhajtova (°F)-Celzijusova (°C)-Kelvinova (K)-Riterova (°R)

Pritisak se definiše kao normalna sila koja djeluje na jedinicu površine.

Atmosferski pritisak je pritisak kojim atmosfera djeluje na zemlju.

Nadpritisak je pritisak koji je veći od atmosferskog pritiska i mjeri se manometrom.

Podpritisak je pritisak koji je manji od atmosferskog pritiska i mjeri se vakuummetrom.

Pod termodinamičkom ravnotežom se podrazumijeva stanje radne materije kod koje su svi njeni dijelovi u mehaničkoj, termičkoj i hemijskoj ravnoteži, ne postoji uticaj okoline na termodinamički sistem i obrnuto, nema razmjene toplote i rada s okolinom (zatvoren i izolovan sistem).

Zapremina je prostor ispunjen materijom mase m, odnosno prostor koji zauzima neki sistem.

Proces podrazumjeva prelazak termodinamičkog sistema iz jednog stanja u drugo. Ciklus je proces koji pođe iz jedne tačke i po završetku vrati se u tu istu tačku.

Energija je sposobnost tijela da izvrši neki rad.

Osnovni vid u kojim se energija javlja:-akumulirana energija-energija prelaznog oblika

3

Akumulirana energija:-potencijalna energija-kinetička energija-hemijska energija-unutrašnja energija-energija elastične deformacija

Unutrašnja toplotna energija odgovara zbiru potencijalne i kinetičke energije kretanja atoma i molekula unutar nekog tijela. Također predstavlja zalihu energije u nekom sistemu.

Toplota je dio unutrašnje energije koja sa tijela više temperature pređe na tijelo niže temperature, do momenta dok im se temperature ne izjednače.

Termička ravnoteža je stanje kada se temperature tijela izjednače, tj. nema više razmjene energije.

Toplotni kapacitet TC materijalnog tijela je količina toplote koju je potrebno dovesti materijalnom tijelu da bi mu se temperatura povisila za jedan stepen.

Specifična toplota c je toplotni kapacitet jedinice mase tijela.

Prava specifična toplota je specifična toplota koja se daje za jednu određenu temperaturu radne materije.

Srednja specifična toplota data je za temperaturni interval (T1, T2) i računa se pomoću formule:

Izobarska promjena je promjena stanja materije kod koje pritisak sistema ostaje konstantan.

Izohorska promjena je promjena stanja materije kod koje zapremina sistema ostaje konstantna.

Izotermske promjene je promjena stanja materije kod koje temperatura sistema ostaje konstantna.

Adijabatska promjena je promjena stanja kod koje nema razmjene toplote.

Politropska (opšta) promjena je promjena stanja kod koje su sve veličine promjenljive i iz ove promjenje se mogu izvesti sve ostale promjene stanja.

Vrste promjena:-Kvazistatičke -Nekvazistatičke

4

Normalni uslovi u termodinamici:pritisak: 1.013bartemperatura: 273.15K

Boyle-Mariotteov zakon (izotermalna pojava):

Gay-Lussacov zakon (izobarna pojava):

Charlesov zakon (izohorna pojava):

Sjedinjeni Boyle-Mariotteov, Gay-Lussacov i Charlesov zakon:

Jednačina stanja idealnog gasa za 1kg:pv=RTgdje je:p-pritisakv-specifična zapreminaR-gasna konstanta idealnog gasaT-termodinamička temperatura izražena u K

Jednačina stanja idealnog gasa za ne stalnu masu:pV=mRt

Univerzalna gasna konstanta:

Maseni udio se definiše kao odnos mase komponente mješavine i ukupne mase mješavine.g1 = m1 / m

Zapreminski udio predstavlja odnos parcijalne zapremine i zapremine mješavine.r1 = V1 / V

Daltonov zakon glasi, pritisak mješavine jednak je zbiru parcijalnih pritisaka komponenti koje učestvuju u procesu stanja mješavine.

5

Jednačina stanja za mješavinu idealnih gasova: pv=RSTRS-gasna konstanta mješavine idealnog gasa

Entalpija je termodinamička veličina stanja koja predstavlja vrijednost zbira unutrašnje energije i proizvod pritiska i specifične zapremine. h = u + pv

Zapreminski rad (rad promjene) je rad koji se izvrši ekspanzijom ili koji se potroši kompresijom u toku jedne promjene stanja. Predstavlja površinu ispod krive promjene stanja. l = pdv

Tehnički rad je rad koji se kontinuirano može dobijati u mašinskim sistemima. I predstavlja površinu od krive promjene stanja do ordinate. (y - ose) lt = - vdp Tehnički rad je pozitiva, ako vrši ekspanziju, a negativan ako vrši kompresiju.

Rad politropske promjene:dlt = -vdp

Rad izotermske promjene:lt = k l

Najpovoljnija kompresija:Izotermska i adijabatska. Najbolja je izotermska promjena jer se troši najmanje rada, ali je teško ostvariva. Pa se zato koristi dvostruka adijabatska promjena.

Drugi zakon termodinamike:Toplota ne može sama od sebe preći sa nižeg na viši temperaturni nivo.

Vrste procesa: - povratni (reverzibilni) proces koji bi se ostvarivao beskonačno sporo - nepovratni (ireverzibilni) procesi koji se spontano odvijaju samo u jesdnom smjeru

Vrste ciklusa:-desnokretni ili desni ciklus (koristi se za dobijanje rada u mašinama)-lijevokretni ili lijevi ciklus (koristi se kod rashladnih uređaja)

Stepen iskorištenja je kriterij za ocjenjivanje pretvaranja toplotne energije u mehanički rad.

Carnotov stepen iskorištenja:

Ottov stepen iskorištenja:

6

Stepen kompresije:

Koristan rad je razlika između rada ekspanzije i rada pri kompresiji.

Toplotni izvor je izvor sa većom količinom energije.

Toplotni ponor je izvor sa manjom količinom energije.

Vrste povratnih kružnih procesa:-Carnotov povratni kružni proces (sastoji se od dvije adijabae i dvije izoterme, stim da se toplota dovodi i odvodi pri izotermama)-Jouleov povratni kružni proces (sastoji se od dvije adijabate i dvije izobare i toplota se dovodi i odvodi pri izobarama)-Otto povratni kružni proces (sastoji se od dvije adijabate i dvije izohore i toplota se dovodi i odvodi pri izohorama)-Dieselov povratni kružni proces (sastoji se od dvije adijabate, jedne izohorei jedne izobare i toplota se dovodi pri izobari, a odvodi pri izohori)

Robert -Mayerova jednačina glasi: Cp = Cv + R

Entropija predstavlja mjeru nepovratnosti termodinamičkog sistema. s2 - s1 = q / T Entropija za povratne procese je 0, a za nepovratne (realne) procese je veća od 0.

Matematički oblik drugog zakona termodinamike za povratne procese je dq = Tds, dok za nepovratnee procese glasi dq < Tds.

Površina ispod krive promjene u p-v dijagramu predstavlja vrijednost zapreminskog rada l, dok površina ispod krive promjene u T-s dijagramu predstavlja količinu razmjenjene toplote q.

Izraz za maksimalni rad za 1kg materije glasi: lmax = h1 - h0 - T0(s1-s0) - v1(p1 - p0).

Eksergija predstavlja energiju sposobnu da izvrši neki rad odnosno maksimalni tehnički rad za neki proces.

7

II KOLOKVIJ

Realni gasovi su gasovi kod kojih se ne može zanemariti uticaj međumolekularnih privlačnih sila. realni gasovi po svom ponašanju bliži su idealnim gasovima ukoliko im je temperatura viša i pritisak manji.

Faktor realnosti predstavlja odnos proizvoda pritiska i zapremine i proizvoda gasne konstante i temperature. Preko njega se može odrediti odstupanje realnog gasa u odnosu na idealni gas. FR = pv / RT Faktor realnosti za idealan gas je 1.

Treći zakon termodinamike glasi:Vrijednost entropije kondenziranih sistema na apsolutnoj nuli jednaka je nuli.

Isparavanje je proces prelaska materije iz tečnog u gasovito stanje.

Kondenzacija je proces prelaska materije iz gasovitog u tečno stanje.

Sublimacija je proces direktnog prelaska iz čvrstog u gasovito stanje.

Trojna tačka je tačka u kojoj se materija može nalaziti u sva tri agregatna stanja. Na dijagramu trojna tačka predstavlja sjecište krivih isparavanja ili kondenzacije (kriva I), krive toplenja (kriva II) i krive sublimacije (kriva III). Parametri trojne tačke za vodu su:

p = 0.0061bar i T = 273.15K.

Kritična tačka je tačka u kojoj se vrši direktan prelaz iz tečne u gasovitu fazu i obrnuto bez dovođenja toplote. Parametri kritične tačke za vodu i vodenu paru su: pk = 221.29bar, tk = 374.15°C, vk = 0.00306m3/kg.

Latentna toplota r je toplota koja se dovodi materiji ili odvodi od nje pri faznim prelazima.

Vodena para je radno tijelo koje se koristi u parnim kotlovima za dobijanje rada i kao zagrijač u industrijskim postrojenjima.

Stepen suhoće je količina suhe pare koja se nalazi u 1 kg vlažne pare.

Karakteristične tačke na dijagramu promjene agregatnog stanja:1. čvrsto stanje2. prelazak iz čvrstog u tečno stanje3. tečno stanje4. pojava prvih gasnih mjehutića u tečnosti5. gasovito stanje6. stanje pregrijane pare

8

Temperatura zasićenja je temparatura na kojoj se dešava potpuni prelazak iz tečnog u gasovito stajne. Ona je konstantna i za vodu je jednaka temperaturi isparenja (temperatura isparenja zavisi od pritiska).

Agregatna stanja u faznom dijagramu:

- čvrsta faza - tečna faza

- gasovita faza

Izentalpe su krive sa konstantnim sadržajem entalpije.

Izobarska i izotermska promjena stanja u p-v i T-s dijagramu

Izohorska promjena stanja u p-v dijagramu

Adijabatska promjena stanja u T-s dijagramu

9

Veličine stanja vlažne pare za tačku A:

Stanja u p-v dijagramu za vodenu paru

- lijevo od donje krive nalazi se tečna faza -desno od gornje krive nalazi se pregrijana para

-b) ključala voda -između tačaka a i b nalazi se vlažna para -a) suhozasićena para

Latentna toplota isparavajna je količina toplote koja se dovodi ključaloj vodi dok ona potpuno ne ispari pri konstantnoj temparaturi.

Vlažna (zasićena) para predstavlja mješavinu tečnog i gasovitog stanja.

Clapeyron - Clausiusova jednačina za vodenu paru:

Van der Walsova jednačina

Stepen realnosti za kritičnu tačku vode je 0.375.

Joule-Thomsonov efekat

Prigušni efekt je odnos . Indeks h označava da je u procesu prigušivanja h = const.

Carnotov ciklus parnih postrojenja nema tehničku primjenu. Produžavanje Carnotovog ciklusa u oblast pregrijane pare nije ekonomično. Pored toga rad sa pregrijanom parom bi podrazumjevao upotrebu komplikovanog uređaja za izotermsku ekspanziju pare u pregrijanu paru.

10

Termički stepen iskorištenja Carnot-ovog ciklusa:

Termički stepen iskorištenja Rankine-Clausius-ovog ciklusa:

Načini poboljšanja termičkog stepena iskorištenja Rankine-Clausius-ovog ciklusa:-rad sa pregrijanom parom-povišenje temperature pregrijane pare-povišenje pritiska pare na ulazu u turbinu-sniženje pritiska u kondenzatoru-regenerativno zagrijavanje kondenzata

Skica regenerativno zagrijavanje kondenzata:

Stepen dobrote ekspanzije u turbini (termodinamički stepen iskorištenja turbine) definiše se kao odnos stvarnog termodinamičkog rada i izentropskog tehničkog rada u turbini.

Ekspanzija u stvarnim postrojenjima u h-s dijagramu:

Snaga na stezaljkama generatora:

11

Snaga na pragu postrojenja:

12