Hoofdstuk 1+2 zonder achtergrond
advertisement
THERMODYNAMICA Hoofdstuk 1 + 2 ing. Patrick Pilat lic. Dirk Willem Algemene begrippen • Inleiding Belang van thermodynamica: - CV Menselijk lichaam (comforteisen) Verbrandingsmotoren, turbines … Huishoudtoestellen (frigo, dvd-speler, pc …) Ontwerpen van machines (afmetingen, materiaal, DT …) - … • Inleiding Thermodynamica Thermodynamica energie-wisseling energieoverdracht Energiebron zon wind (kin.energ.) brandstof Waterenergie (pot. energ.) Nucleaire energie nuttige energie mechanische beweging elektriciteit warmte • Inleiding Thermodynamica Enkele voorbeelden van energieomzettingen 1. Waterkrachtcentrale: potentiële energie watermassa → waterturbine → elek. en. • Inleiding Thermodynamica Enkele voorbeelden van energieomzettingen 2. Klassieke thermische centrale: verbrandingswarmte → water naar stoom → stoomturbine→ elektrische energie • Inleiding Thermodynamica Enkele voorbeelden van energieomzettingen 3. Kerncentrale: nucleaire energie → warmte → stoomproductie → elek. en. • Inleiding Thermodynamica Enkele voorbeelden van energieomzettingen 4. Windmolen: kin. energie wind → elektrische energie • Inleiding Thermodynamica Enkele voorbeelden van energieomzettingen 5. Zonnecentrale: zonne-energie→ elektrische energie Planta Solar 10, Sanlucar la Mayor, Spanje: 11 MW • Inleiding • begrippen Algemene begrippen Stelsel Omgeving T, p … gas Beïnvloeden elkaar begrenzing • Inleiding • begrippen Algemene begrippen Open en gesloten systeem energietransport massatransport GESLOTEN OPEN systeem systeem • Inleiding • begrippen Algemene begrippen Open en gesloten systeem Algemene begrippen • Inleiding • begrippen Energie ? capaciteit om arbeid te verrichten BEHOUD VAN ENERGIE (1ste Hoofdwet v/d thermodynamica) energie in een stelsel kan op ≠ manieren opgeslagen worden transformeren Potentiële energie kinetische energie transporteren Arbeid en/of warmte • Inleiding • begrippen Algemene begrippen Energie ? Energie transformeren Epot Epot Ekin • Inleiding • begrippen Algemene begrippen Energie ? Energie transformeren transporteren Epot Wrijving Ekin Warmte naar omgeving • Inleiding • begrippen Algemene begrippen Energie ? Energiebezit macroscopische energie microscopische energie (niet zichtbaar) Etot = Ekin + Epot + U [kJ of J] • Inleiding • begrippen Algemene begrippen Energie ? Energiebezit macroscopische energie microscopische energie (niet zichtbaar) etot = ekin + epot + u etot = Etot / m [kJ/kg of J/kg] • Inleiding • begrippen Algemene begrippen Energie ? Energiebezit macroscopische energie microscopische energie (niet zichtbaar) = inwendige energie vb’n ∆U: - verwarmen van een voorwerp - samendrukken van een gas • Inleiding • begrippen Algemene begrippen Energie ? Energiebezit Energietransport WARMTE • Inleiding • begrippen Algemene begrippen Energie ? Energiebezit Energietransport WARMTE (Q of q) uitwisseling t.g.v. DT Men kan nooit zeggen dat een systeem een hoeveelheid warmte bezit systeem bezit een hoeveelheid energie die men kan overdragen in de vorm van warmte Toestandsverandering adiabatisch (Q = 0) isothermisch (T = cte) • Inleiding • begrippen Algemene begrippen Energie ? Energiebezit Energietransport WARMTE Q (in J) q = Q / m (in J/kg) Q+ Q Q Δt (in W of kW) Q- stelsel • Inleiding • begrippen Algemene begrippen Energie ? Energiebezit Energietransport WARMTE (Q of q) ARBEID (W) elektrische arbeid: We = U.I.DT mechanische arbeid: W = ∫ F.ds arbeid van een veer: Wveer = ½ . k. (x2² - x1²) Volumearbeid: WV = afh. van toestandsverandering • Inleiding • begrippen Algemene begrippen Energie ? Energiebezit Energietransport WARMTE (Q of q) ARBEID (W) W w m ( in J/kg) W vermogen : P W Δt . (in W) • Inleiding • begrippen Algemene begrippen Energie ? Energiebezit Energietransport WARMTE (Q of q) ARBEID (W) WW+ stelsel Q en W zijn energie-interacties tussen stelsel en omgeving. Stelsel kan energie bezitten maar GEEN Q en/of W • Inleiding • begrippen • Toestand van stelsels Toestand van stelsels Toestandsgrootheden: waarnemingen op macroscopische verschijnselen zijn meetbaar (m, V, T, p) Twee soorten toestandsgrootheden: Intensieve toestandsgrootheid: onafhankelijk van de grootte van het stelsel (p, T, u, …) Extensieve toestandsgrootheid: afhankelijk van de grootte van het stelsel (V, U, …) • Inleiding • begrippen • Toestand van stelsels Toestand van stelsels Toestand van een stelsel: = toestandsgrootheden hebben een welbepaalde waarde stabiele toestand (evenwichtstoestand) onstabiele toestand Toestandsverandering: wijziging van 1 of meerdere toestandsgrootheden • Inleiding • begrippen • Toestand van stelsels Algemene begrippen Toestandsverandering: m = 2 kg °t1 = 20°C V1 = 1,5 m³ m = 2 kg °t1 = 20°C V1 = 2,5 m³ • Inleiding • begrippen • Toestand van stelsels Algemene begrippen Bijzondere toestandsverandering: T = cte (isotherme toestandsverandering) P = cte (isobare toestandsverandering) V = cte (isochore toestandsverandering) Q = 0 (adiabatische toestandsverandering) ! Isotherm niet verwarren met adiabaat ! • Inleiding • begrippen • Toestand van stelsels Algemene begrippen Evenwichtige of quasi-statische toestandsverandering evenwicht Begintoestand evenwicht eindtoestand • Inleiding • begrippen • Toestand van stelsels Algemene begrippen Voorbeeld massa toestand 1 toestand 2 • Inleiding • begrippen • Toestand van stelsels Algemene begrippen Voorbeeld niet evenwichtige toestandsverandering p 1 1 en 2 zijn evenwichtstoestanden 2 V • Inleiding • begrippen • Toestand van stelsels Algemene begrippen Voorbeeld evenwichtige toestandsverandering p 1 2 V • Inleiding • begrippen • Toestand van stelsels Algemene begrippen Reversibele toestandsveranderingen = omkeerbare toestandsverandering die evenwichtig verloopt voorwaarden: evenwichtig + wrijvingsloos perfect omkeerbare toestandsverandering (wrijvingsloos) = praktisch nooit mogelijk • Inleiding • begrippen • Toestand van stelsels Algemene begrippen Geïsoleerd stelsel = geïsoleerd van invloeden van de omgeving (Q = 0, W = 0) toestandsverandering door onevenwicht ≠ thermisch geïsoleerd stelsel (Q = 0) • Inleiding • begrippen • Toestand van stelsels Algemene begrippen Soortelijke warmte = hoeveelheid energie om 1kg van een stof 1°C te laten ↑ dQ c m dT (in J/(kg.K)) c = afh. van T en p t2 dQ m c dT Q m c dT als c const : Q m c DT t1 dq c dT t2 q c dT t1 als c const : q c DT • Inleiding • begrippen • Toestand van stelsels Algemene begrippen Soortelijke warmte = hoeveelheid energie om 1kg van een stof 1°C te laten ↑ c dQ m dT (in J/(kg.K)) c = afh. van T en p afh. van de soort warmtetoevoer cp Bij cte p wordt W geleverd cp > cv of cv • Inleiding • begrippen • Toestand van stelsels Algemene begrippen Ideale gassen voor alle gassen met voldoende lage r eenvoudig verband tussen p, v en T ideale gassen (specifieke voorwaarden) Toestandsverandering eenvoudig verband: p . V = n.Ru.T (Ru : universele gasconstante) stelsel met m kg ideaal gas p . V = (m/M).Ru.T (M: molaire massa) p. V = m.R.T (R = Ru/M: specifieke gasconstante) • Inleiding • begrippen • Toestand van stelsels Algemene begrippen Ideale gassen stelsel met m kg ideaal gas p. V = m.R.T specifiek volume: v (R : specifieke gasconstante) = V/m p. v = R.T (in m³/kg) • Inleiding • begrippen • Toestand van stelsels Algemene begrippen Oefeningen: Hoe lang duurt het om 1 liter water van 60°C door middel van een waterkoker (1000W) te laten koken? CH2O = 4,185 kJ/kg.K • Inleiding • begrippen • Toestand van stelsels Algemene begrippen Oefeningen: Wanneer je 50 liter water van 40°C mengt met 150 liter water van 80°C. Wat is dan de temperatuur van het gemengd water? • Inleiding • begrippen • Toestand van stelsels Algemene begrippen Oefeningen: We koelen een stalen blok (3 kg) van 650°C in een oliebad (100kg, 10°C) af. De temperatuur van de olie stijgt met 6°C. Cstaal = 0,5 kJ/kg.K Colie? • Inleiding • begrippen • Toestand van stelsels Algemene begrippen Oefeningen: Een compressor zuigt lucht aan op een druk gelijk aan 1 atm. Tijdens de compressie van de aangezogen lucht blijft de temperatuur 27°C, maar het volume wordt 5X kleiner. Wat is het einddruk van de lucht en hoeveel duidt de manometer aan van de compressor. (opl. 4,052 bar)
