3
Sprawy formalne:
Forma: Wykład w postaci prezentacji komputerowych
Przeznaczenie: studenci II roku Studium inżynierskiego na Wydziale chemicznym i kierunku Inżynieria chemiczna i procesowa –oraz inni studenci Politechniki Wrocławskiej
Wymiar: 30 h/semester s. B-1 F-4
Czas i miejsce: PN 15.15 - 16.55 22/02 02/03SR 17.05 - 18.45 24/02
Nie ma zajec miedzy 07/03 – 29/03
Natepne terminy beda podane tutaj
Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej
4
Sprawy formalne cd.:
Obecność: nieobowiązkowa (sprawdzana)Obecność na wykładzie będzie premiowana dodatkowymi punktami przy ocenie egzaminu: brak nieobecności 5 pkt.,jedna nieobecność 3 pkt., dwie nieobecności 1 pkt.
Zaliczenie: Egzamin – w czasie sesjiEgzamin jest pisemny test wielokrotnego wyboru.
Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej
5
Sprawy formalne cd.:
Kontakt: p. 115 C-6, email: [email protected]
Konsultacje:
Informacje internetowe:
www.prochembio.pwr.wroc.pl/studenci.html
Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej
6
Literatura zasadnicza1. S. Michałowski, K. Wańkowicz: Termodynamika procesowa.
WNT Warszawa 1999.
2. J. Szarawara: Termodynamika chemiczna stosowana. WNT Warszawa 1997.
3. E. Kalinowski: Termodynamika. Wyd. Polit. Wroc., Wrocław 1997.
4. S. R. Turns: Thermodynamics. Concepts and Applications. Cambridge University Press. Cambridge 2006.
5. https://www.academia.edu/11767578/THERMODYNAMICS_AN_ENGINEERING_APPROACH_8th_EDITION_2015
7
Literatura pomocnicza (uzupełniająca)
1. P. Atkins: Palec Galileusza. DW Rebis, Poznań 2005. (Rozdziały: 3 – Energia i 4 – Entropia)
2. B. Diu: Czy atomy naprawdę istnieją ? PIW, Warszawa 2000.
3. H. Buchowski, W. Ufnalski: Podstawy termodynamiki. WNT, Warszawa 1994.
4. D.R. Olander: General Thermodynamics. CRC Press. Boca Raton 2008.
9
Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej
Wykład I - 2
Podstawowe definicje i pojęcia termodynamiczne
10
Uwagi wstępneTermodynamika jest to dział fizyki zajmujący się zagadnieniamicieplno – mechanicznymi w skali makroskopowej.
Termo – zjawiska, zagadnieniacieplne związane z chaotycznymruchem cząsteczek materii
- dynamika – zjawiska, zagadnieniamechaniczne związane z uporządkowanymruchem makroskopowych zbiorów materii
11
Uwagi wstępne
Istnieje wiele różnych podziałów i klasyfikacji dotyczących termodynamiki. Dla naszych celów całą termodynamiką możemy podzielić na:• termodynamikę teoretyczną, którą nie będziemy się zajmować• termodynamikę praktyczną, w ramach której można wyodrębnić
termodynamikę techniczną często nazywaną techniką cieplnąi termodynamikę procesową.
Głównymi tematami termodynamiki technicznej są praktyczne zagadnienia związane z wzajemnymi przemianami energii cieplnej i mechanicznej.
Z kolei głównym obszarem zainteresowania termodynamiki procesowej są metody wyznaczania i obliczania właściwości termodynamicznych różnegorodzaju ośrodków. Właściwości te są niezbędne przy opisie różnegorodzaju procesów technologicznych.
12
Podstawowe pojęcia i definicje
Układ
OtoczenieMasa
Praca (energia mechaniczna)
Ciepło (energia cieplna)
Podstawowymi pojęciami termodynamicznymi są pojęcia układu i otoczenia.
Układ i otoczenie mogą wymieniać ze sobą energię i masę. Energia może być wymieniana na dwa sposoby:-jako ciepło, gdy wiąże się to
z przekazywaniem termicznym, - lub jako praca gdy energia jest
przekazywana mechanicznie w sposóbuporządkowany
14
RELACJE UKŁADU Z OTOCZENIEM
W zależności od istnienia lub braku wymiany z otoczeniem układ określa się jako:
•adiabatyczny – gdy nie ma wymiany ciepła
•w kontakcie termicznym – gdy wymiana ciepła jest obecna
•izolowany mechanicznie – gdy praca nie jest wykonywana
•w kontakcie mechanicznym – gdy praca jest wykonywana
•zamknięty – gdy nie ma wymiany masy
•otwarty – gdy wymiana masy się odbywa
15
RÓWNOWAGA TERMODYNAMICZNA
Ze stanem równowagi mamy do czynienia wtedy, gdy występujądwie wzajemnie przeciwstawne tendencje, które się równoważą.
Pojęcie równowagi jest stosowane w różnych dziedzinach nauki.Przykładowo w ekonomii ważnym pojęciem jest równowaga rynkowapolegająca na równoważeniu się podaży i popytu określonego towaru.W naukach ścisłych i technicznych zagadnienie równowagi występuje stosunkowo często. Najważniejsze rodzaje równowag to:
1. Równowaga mechaniczna polegająca na zrównoważeniu sił.2. Równowaga termiczna polegająca na zrównoważeniu temperatur.3. Równowaga chemiczna polegająca na zrównoważeniu szybkości
reakcji chemicznych.
16
RÓWNOWAGA TERMODYNAMICZNA
Układ który jest w stanie równowagi cechuje się stałością w czasie parametrów opisujących jego stan. Oznacza to że nie zachodzą w nim żadne makroskopowe zmiany. Stan równowagi nie oznaczaże w układzie nic się nie dzieje. Oznacza tylko tyle że procesyzachodzące w układzie nie dają efektów makroskopowych.Czasami (dosyć często) równowaga definiowana jest jako stan,w którym parametry makroskopowe są stałe w czasie. Jest to definicja równoważna gdyż stałość parametrów wynika ze zrównoważenia przeciwstawnych tendencji.
Szczególną rolę odgrywa pojęcie równowagi termodynamicznej,która zachodzi wtedy gdy występują jednocześnie równowagi: mechaniczna, termiczna i chemiczna. Równoważna definicja tejrównowagi mówi że występuje ona wtedy gdy parametry termodynamiczne opisujące dany układ termodynamiczny są stałe w czasie co występuje wtedy, gdy dany układ jest pozostawionysobie przez czas dostatecznie długi.
17
STAN UKŁADU I PRZEMIANA TERMODYNAMICZNA
Stan układu termodynamicznego opisuje szereg wielkości fizycznych nazywanych parametrami lub funkcjami stanu.
Jeżeli układ zmienia swój stan, to mówimy że odbywa się przemianatermodynamiczna
Stan 1
Stan 2Przemiana
18
STAN UKŁADU I PRZEMIANA TERMODYNAMICZNA
Przykładem przemiany termodynamicznej może być processprężania gazu w cylindrze silnika spalinowego:
19
STAN UKŁADU I PRZEMIANA TERMODYNAMICZNA
Przemiany termodynamiczne możemy podzieć na:
1. Wymuszone, gdy są one spowodowane czynnikami zewnętrznymi,
2. Samoistne (spontaniczne), gdy odbywają się bez udziałuczynników zewnętrznych. Przemiany samoistne mogą się odbywać tylko wtedy, gdyukład nie jest w stanie równowagi termodynamicznej.Układ w stanie równowagi termodynamicznej może ulecprzemianie tylko na skutek działania czynników zewnętrznych.
20
STAN UKŁADU I PRZEMIANA TERMODYNAMICZNA
Przemianę termodynamiczną charakteryzują:
a) przyrosty parametrów stanu
b) wielkości opisujące wymianę między układem a otoczeniem(parametry przemiany)
21
WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I INTENSYWNE
)()()( 21 XXX
Wielkości termodynamiczne (zarówno parametry stanu jak i wielkościopisujące przemiany) dzielą się na dwie ważne grupy:
• Wielkości ekstensywne – wielkości X spełniające następujące własności:1° - są określone na zbiorach przestrzennych – mają charakter globalny2° - są addytywne (bilansowalne) tzn. spełniają relację
21 1
2
3° - są jednorodne ze względu na masę substancji zawartej w układzie
)()( mXmX 0
W przypadku gdy opisujemy wielkość intensywną układutermodynamicznego będącego zbiorem przestrzennym Ωzakłada się że:- albo dana wielkość x jest taka sama w każdym punkciezbioru Ω (tzw. doskonałe wymieszanie),- albo też dla całego zbioru określa się wartość średnią:
22
WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I INTENSYWNE
MMfx )(
Wielkości intensywne – wielkości x spełniające następujące własności:
1° - są określone dla punktów przestrzennych – mają charakterlokalny
dVMxV
x
)(
)(
1)(
23
WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I INTENSYWNE
3° - nie zależą od masy substancji zawartej w układzie
( ) ( )x m x m 0
1 2( ) ( ) ( )x x x
2° - nie są addytywne (bilansowalne) tzn.:
24
WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I INTENSYWNE
Iloraz dwu wielkości ekstensywnych zawsze jest wielkością intensywną !
)()(
)(
2
1
x
X
X
Iloraz lub iloczyn dwu wielkości intensywnych pozostaje zawsze wielkościąintensywną !
3
2
1321 lub x
x
xxxx
25
WIELKOŚCI MIERZALNE I KONCEPTUALNE
Inny podział wielkości termodynamicznych wiąże się z możliwością ich eksperymentalnego pomiaru. Zgodnie z tym podziałem mamy wielkości mierzalne i konceptualne.
Wielkości mierzalne to takie, które możemy bezpośrednio z odpo-wiednią dokładnością zmierzyć za pomącą odpowiednich przyrządówpomiarowych. Mierzalne są np. temperatura, ciśnienie i objętość.
Wielkości konceptualne to takie dla których określenia koniecznajest pewna procedura zawierająca różne założenia i konwencje.Konceptualne są takie wielkości jak energia wewnętrzna, entropiaczy fugatywność.
26
PARAMETRY STANU
1. Temperatura – T, [K] – parametr intensywny, wielkość mierzalnaTemperatura jest to podstawowy parametr stanu określający zdolność układudo przekazywania ciepła czyli energii chaotycznego ruchu cząsteczek.
2. Ciśnienie – p, [Pa] – parametr intensywny, wielkość mierzalnaCiśnienie jest to drugi podstawowy parametr stanu określający zdolność układudo wykonywania pracy tzn. do przekazywania energii na sposób mechaniczny.
3. Objętość – V, [m3] – parametr ekstensywny, wielkość mierzalnaObjętość układu jest określona przez objętość przestrzeni zajmowanej przez układ.
27
PARAMETRY STANU
4. Energia wewnętrzna – U, [J] – parametr ekstensywny, wielkość konceptualna.
Energia wewnętrzna jest to całkowita energia zawarta w układzie pomniejszona o jego energię kinetyczną związaną z ruchem i potencjalną związaną z położeniem całego układu.
)( pkc EEEU
28
PARAMETRY STANU
W skład energii wewnętrznej wchodzą m.in.:
- sumaryczna energia kinetyczna wszelkich chaotycznych ruchów poszczególnych cząsteczek i atomów,
- sumaryczna energia stanów elektronowych wszystkich cząsteczek i atomów,
- sumaryczna energia potencjalna oddziaływań między wszystkimi cząsteczkami i atomami,
- sumaryczna energia jądrowa związana z możliwością przebiegu reakcji jądrowych.
29
PARAMETRY STANU
5. Entalpia – H, [J] – parametr ekstensywny, wielkość konceptualna.
Entalpia jest pomocniczą wielkością energetyczną układu zaproponowaną przezGibbsa, której definicja jest następująca:
pVUH
30
PARAMETRY STANU cd.
T
QdS
6. Entropia – S, [J/K] – parametr ekstensywny
Entropia jest to fundamentalny parametr termodynamiczny wprowadzony
przez Clausiusa. Entropia ma dwie interpretacje. Klasyczna definicja Clausiusa określa zmianę entropii w różniczkowej przemianie odwracalnej:
Q - elementarne ciepło wymienione podczasprzemiany różniczkowej
32
PARAMETRY STANU cd.
Druga definicja entropii zaproponowana przez Boltzmanna wiąże się ze statystycznym rozkładem poziomów energetycznych cząstek zawartych w układzie. Popularnie, aczkolwiek nie całkiem ściśle, entropia jest określanajako miara nieuporządkowania (chaosu) w układzie.
)ln( EkS
- liczba dostępnych mikrostanów na które może się rozkładaćenergia wewnętrzna układu
E
K
Jk 231038065.1 - stała Boltzmanna
34
PARAMETRY STANU cd.
Słynny wzór definiującyentropię został wyrytyna jego nagrobku nacmentarzu w Wiedniu
35
PARAMETRY STANU cd.
TSUA
7. Energia swobodna – A, [J] – parametr ekstensywny
Energia swobodna, nazywana też energią Helmholtzajest to pochodna wielkość energetyczna określona wzorem:
37
PARAMETRY STANU cd.
8. Entalpia swobodna – G, [J] – parametr ekstensywny
Entalpia swobodna, nazywana też energią Gibbsa jest to
pochodna wielkość energetyczna określona wzorem:
TSHG