TERMOMECHANIKA 1. Základní pojmy

Transkript

1 1 FSI VUT v Brně, Energetický ústav Odbor termomechaniky a techniky prostředí prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. TERMOMECHANIKA 1. Základní pojmy OSNOVA 1. KAPITOLY Termodynamická soustava Energie, teplo, práce Stavy látek Stavové veličiny Hlavní úlohy technické termodynamiky FSI VUT v Brně

2 TERMODYNAMICKÁ SOUSTAVA TERMODYNAMICKÁ SOUSTAVA je souhrn látek účelně omezený vůči okolí kontrolní plochou ROZLIŠUJEME SOUSTAVU Uzavřenou - hmotnost procházející kontrolní plochou je nulová Otevřenou - hmotnost procházející kontrolní plochou je nenulová A Izolovanou - kontrolní plocha zamezuje výměně tepla Q s okolím Neizolovanou - kontrolní plocha nezamezuje výměně tepla Q s okolím Homogenní - Heterogenní Kontrolní plocha Soustava E, U T, p, V OKOLÍ ROVNOVÁHA SOUSTAVY Mechanická - síly působící v soustavě a v okolí jsou v rovnováze Tepelná - nedochází k přenosu tepla v soustavě ani s okolím Chemická - chemické složení soustavy se nemění Q

3 ENERGIE, TEPLO, PRÁCE ENERGIE E [J] je schopnost soustavy konat práci (fyzikální, chemické či jiné změny). Energie je stavová veličina. Rozlišujeme energii mechan., tepel., elektr., magnet., chemic., jader 1 kcal = 4,1868 kj 1 kwh = 3600 kj 1 kpm = 9,80665 J 1 BTU = 1055,04 J VNITŘNÍ ENERGIE U [J] = tepelná energie je energie neuspořádaného pohybu částic Kontrolní plocha Soustava E, U T, p, V TEPLO Q [J] je forma přenosu energie mezi soustavou a okolím - není stavovou veličinou. Pro předávané teplo platí kalorimetrická rovnice Q m c T 1 T1 m [kg] je hmotnost, T [K] jsou teploty, c [J.kg -1.K -1 ] je měrná tepelná kapacita ( u plynů rozlišujeme c p a c v ). PRÁCE A [J] je forma přenosu energie - není stavovou veličinou. Práce je dána sílou působící po dráze. OKOLÍ Q A 3

4 STAVY LÁTEK STAVY LÁTEK jsou dány stavovými veličinami. Množiny stavů s kontinuálně se měnící hustotou se označují jako skupenství nebo také fáze. ROZLIŠUJEME SKUPENSTVÍ Pevné - pevné látky Kapalné - kapaliny Plynné - plyny (a páry) a další MLHA - drobné kapičky kapaliny (nejedná se o páru) ROZLIŠUJEME PLYNY Ideální (dokonalé) - hmotné body, dokonale elastické, které mají nulový objem, nepůsobí na sebe přitažlivými silami a jsou v neustálém neuspořádaném pohybu - řídí se zákony ideálních plynů Nedokonalé - řídí se přibližně zákony ideálních plynů Reálné (především páry) - neřídí se zákony ideálních plynů 4

5 STAVOVÉ VELIČINY - 1 STAVOVÉ VELIČINY určují stav soustavy Rozlišujeme: a) STAVOVÉ VELIČINY MĚŘITELNÉ Tlak p [Pa] (absolutní, relativní) p= df/ds Teplota T [K], t [ C], T = t + 73,15 Nultý zákon termodynamiky Je-li T A =T C a T B =T C, T A =T B (Při měření je nutná tepelná rovnováha) p p a 0 p I p II p pr I p po II I p ref II 0 Objem V [m 3 ] Kontrolní plocha Měrný objem v [m 3.kg -1 ] v = V / m (Měrné veličiny jsou vztaženy na 1 kg) Hustota [kg.m -3 ], Hmotnost m [kg] Soustava E, U T, p, V = m / V = 1 / v Látkové množství n [mol, kmol] OKOLÍ Q A 5

6 STAVOVÉ VELIČINY - b) STAVOVÉ FUNKCE c počítané z měřitelných stavových veličin Vnitřní energie U, entalpie H, entropie S c) FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI Měrná tepelná kapacita c, součinitel tepelné vodivosti, teplotní vodivosti a, kinematická viskozita T 1 c = f(t) T c stř T c s t ř Příklad měření teplot vzduchu termovizí Fyzikální vlastnosti jsou pro: ideální plyny f (druhu látky) = konst nedokonalé plyny f (druhu látky, T) reálné plyny f (druhu látky, T, p) U nedokonalých plynů používáme střední integrální hodnoty vlastností 1 T c T T 1 T1 T dt 6

7 7 STAVOVÉ VELIČINY - 3 Měrná tepelná kapacita suchého vzduchu c p jako funkce teploty a tlaku

8 HLAVNÍ ÚLOHY TECHNICKÉ TERMODYNAMIKY Technická termodynamika je zaměřena především na plyny, páry (kapaliny), které jsou pracovními látkami tepelných motorů, tepelných pracovních strojů a dalších tepelných systémů. Hlavní úkoly termodynamiky jsou: Určování stavů látek - ze stavových rovnic, diagramů, tabulek Řešení termodynamických dějů (teoretických i reálných) - z rovnic změn stavů. Integrály veličin při dějích jsou následující: Pro veličiny Pro stavové dz z z veličiny z 1 závislé na cestě dω ω 1 1 změny stavu 1 Řešení termodynamických cyklů (posloupnosti termodynamických dějů, po jejichž vykonání se soustava dostane do výchozího stavu). Integrály veličin při vykonání cyklu jsou následující: Pro stavové veličiny z dz 0 Pro veličiny závislé na cestě Zdroj: InfraTec Proudový motor dω ω O 8