Termodynamika techniczna Wykład 1 Wojciech A. Sysło Instytut Techniczny, Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa, Gorzów Wielkopolski Termodynamika techniczna 2012/2013

Treści programu przedmiotu, czym się zajmuje termodynamika Termodynamika – zajmuje się przemianami energetycznymi, ich wykorzystaniem, określeń wiele, np. …zjawiskami cieplnymi … W kursie fizyki omawiane były elementy termodynamiki, przedmiot termodynamika techniczna kładzie nacisk na przemiany energetyczne zachodzące w maszynach cieplnych, w naszym otoczeniu … we WSZCHŚWIECIE Termodynamika techniczna 2012/2013

Treści programu przedmiotu, czym się zajmuje termodynamika Opis z zastosowaniem podstawowej wiedzy fizyki, poszukiwanie nowych źródeł energii, poszukiwanie nowych rozwiązań tak było, i jeszcze bywa Termodynamika techniczna 2012/2013

Przykład z ostatnich dni Termodynamika techniczna 2012/2013

Przykład z ostatnich dni Dania, jesień 2012 Największa średnica wirnika – 154 m, Turbina bezprzekładniowa (wolnoobrotowy, wielopolowy generator synchroniczny) Moc 6 MW (dotychczas Wiatrak Maxi Vortex z dyfuzorem, 54 m średnicy – 3,5 MW) Producent SIEMENS Anglicy zamówili już 300 sztuk Termodynamika techniczna 2012/2013

Źródła energii Słońce Ziemia Reakcje jądrowe … Słońcu właściwie WSZYSTKO zawdzięczamy, i nawet nie potrafimy DOBRZE wykorzystać całej energii, którą nam wysyła, a wysyła … Ziemia ze środka Ziemi, w różnych miejscach COŚ gorącego wytryska, albo przypływa i odpływa po powierzchni, dobrze byłoby także wykorzystać energię w inny sposób zgromadzoną Reakcje jądrowe rozpad promieniotwórczy, fuzja jądrowa Termodynamika techniczna 2012/2013

Źródła energii … słońce Z. Kusto, Wykorzystanie energii słonecznej, Polit. Gdańska Termodynamika techniczna 2012/2013

Źródła energii … słońce Stała słoneczna - Io = 1353 W/m2 gęstość strumienia energii promieniowania słonecznego padającego na metr kwadratowy płaszczyzny prostopadłej do kierunku promieniowania na granicy ziemskiej atmosfery Promieniowanie docierające do powierzchni Ziemi to: - składowa bezpośredniego napromieniowania, - składowa promieniowania rozproszonego: - w atmosferze Ziemi, - przez obiekty na Ziemi. Termodynamika techniczna 2012/2013

Źródła energii … reakcje jądrowe Reakcje jądrowe wydają się być przyszłością energetyki ! Elektrownie jądrowe dziś działające … wiele ich jest problemy: niebezpieczne (psychika też – boimy się) odpady promieniotwórcze zanieczyszczenia środowiska awarie Fuzja jądrowa Słońce na Ziemi … i same problemy, ale optymizm: małe ilości produktów roboczych brak odpadów brak skażenia środowiska w trakcie pracy … ale czy ktoś oceni ZANIECZYSZCZENIA związane z budową reaktora ! Termodynamika techniczna 2012/2013

Źródła energii … reakcje jądrowe Są jednak problemy z wykorzystaniem fuzji jądrowej w warunkach ziemskich … problemy technologiczne Bomba atomowa – 1945, USA Elektrownia jądrowa – 1954, ZSRR Bomba termojądrowa – 1952, USA Reakcja syntezy na usługach ludzkości … może 2050 ! Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … Metody badań zjawisk termodynamicznych, stąd: - termodynamika fenomenologiczna – opis wyników doświadczeń, parametry makroskopowe, - termodynamika statystyczna – atomowa budowa materii, zbiór atomów i drobin, metody mechaniki statystycznej, rachunek prawdopodobieństwa. OCZYWIŚCIE pamiętamy cały czas, że opisujemy to co nas otacza, BUDUJEMY modele. Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … Układ termodynamiczny: - zamknięty – nie ma wymiany substancji, wymiana energii na sposób ciepła i pracy, - otwarty – wymiana substancji przez granicę układu - odosobniony – nie ma wymiany substancji ani energii. Parametry stanu – wartość określa pomiar: - intensywne – T, p, gęstość – nie zależą od wielkości układu, - ekstensywne – energia, entropia – własność sumowania Jeśli wielkości ekstensywne [ J], występujące w równaniu podzielimy przez masę substancji odbywającej przemianę, otrzymamy wielkości intensywne [ J/kg]. Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … Stan ustalony – parametry stanu nie zmieniają się w czasie lub zmieniają się periodycznie. Przemiana termodynamiczna – zbiór kolejnych stanów czynnika termodynamicznego; tylko jeden stopień swobody np. T = f (p) – przemiana izochoryczna. Równowaga termodynamiczna – ustala się samorzutnie po dostatecznie długim odosobnieniu układu – parametry stanu nie ulegają zmianie. Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … Stany skupienia substancji … Z wszystkich stanów skupienia tylko gaz ( i para ) posiadają własności, które pozwalają na zamianę ciepła w pracę na skalę przemysłową. Gaz całkowicie wypełnia naczynie, w którym się znajduje; zamiana ciepła w pracę będzie więc polegała na zmianie objętości gazu wywołanej wymianą ciepła. Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … modele gazów - doskonały – spełnia prawa Clapeyrona i Daltona, cząsteczki gazu nie przyciągają się, są małe, ciepło właściwe zależy od typu przemiany i rodzaju gazu, nie jest funkcją T i p, - półdoskonały – atomy drobin powiązane sprężyście występują drgania, ciepło właściwe jest funkcją T – z temperaturą rośnie energia drgań własnych, spełniają prawa Clapeyrona i Daltona, - rzeczywisty – wykazują odchylenie od praw gazowych, ciepło właściwe jest funkcją temperatury i ciśnienia Definicja ciepła właściwego taki zapis zmiany ciepła oznacza, że nie jest ono różniczką zupełną, czyli zsumowane od stanu 1 do 2 zależy od zrealizowanej przemiany Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … modele gazów Gaz doskonały, mikroskopowo: - cząstki gazu zachowują się doskonale sprężyście, - wymiana energii między cząsteczkami gazu zachodzi w wyniku zderzeń sprężystych, - energia wewnętrzna gazu jest energią kinetyczną cząsteczek, - energia kinetyczna cząsteczek gazu jest równomiernie rozłożona miedzy stopnie swobody, - temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek, - ciepło właściwe gazu jest stałe (!). Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … Mieszaniny gazów – gazy w przeciwieństwie do do innych stanów skupienia mają łatwość tworzenia mieszanin. Rozpatrując mieszaninę gazów należy ustalić, które parametry są wspólne dla wszystkich składników, a które różne: temperatura, objętość … ciśnienie. Prawo Daltona – prawo ciśnień cząstkowych (parcjalnych) – każdy ze składników gazu zachowuje się tak jakby zajmował całą objętość. Najpopularniejsza mieszanina gazów: gaz/y + para wodna, w końcu para wodna jest jednym ze składników powietrza. Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … gaz doskonały Równanie stanu gazu doskonałego – Clapeyrona p V = n R T n – ilość moli gazu, R – uniwersalna stała gazowa 8,314 [ J/mol K] Inna wersja zapisu: Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … gaz doskonały Równanie stanu gazu doskonałego – Clapeyrona, inny zapis p V = n R T Inny zapis: R’ – stała gazowa, zależy od rodzaju gazu Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … gaz rzeczywisty Równanie stanu gazu rzeczywistego, najlepiej sprawdza się równanie Van der Waalsa, dla jednego mola gazu uwzględnia: - oddziaływanie cząsteczek gazu - a/V2, - objętość własną cząsteczek - b Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … gaz rzeczywisty Izoterma Van der Waalsa Termodynamika techniczna 2012/2013

Zasady termodynamiki … przypomnienie z kursu fizyki ZEROWA ♦ Operacyjna definicja temperatury. W równowadze termodynamicznej, będące w kontakcie cieplnym ciała mają taką samą temperaturę. Jednostka podstawowa w układzie SI – 1 K, definicja. Skale temperatur … bezwzględna skala temperatur. Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … Zasady termodynamiki: PIERWSZA ♦ Zasada zachowania energii – wprowadzenie pojęcia energii wewnętrznej. Q = ∆ U + L, doprowadzone do układu ciepło powoduje wzrost energii wewnętrznej lub przyczynia się do wykonania przez układ pracy. Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … PIERWSZA ♦ Zasada zachowania energii Praca L jest iloczynem skalarnym siły F i przesunięcia s, wzdłuż którego ta siła działa L = s F Elementarna praca W przypadku rozszerzania się gazu quasistatycznie, parcie ( p A) równe jest F możemy wyliczyć pracę całkowitą na drodze przemiany o stanu 1 do 2 Jest to tzw. praca absolutna (bezwzględna). Proszę zwrócić uwagę na zapis elementarnej pracy – to zapis różniczki, która nie jest różniczką zupełną (nie spełnia warunku Schwarza), podobne własności ma zmiana ciepła. Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … Zasady termodynamiki: DRUGA ♦ Określa kierunek (zwrot) biegu procesów w przyrodzie – pojęcie entropii, która nigdy nie maleje. Cykl Carnota, modelowe rozważania maszyny cieplnej – NIE MOŻNA całego dostarczonego do układu ciepła zamienić na pracę – to jedno ze sformułowań II zasady termodynamiki Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … Cykl Carnota Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … Sformułowanie Clausiusa II zasady termodynamiki energia cieplna nie może samorzutnie przenosić się z ciała o temperaturze niższej do ciała o temperaturze wyższej. Entropia określona jest dla ciała będącego w równowadze, a wymiana ciepła następuje na drodze odwracalnej Entropia jest funkcją stanu, więc dla odwracalnego obiegu mamy Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … Zasady termodynamiki: TRZECIA ♦ Niemożliwość osiągnięcia temperatury 0 K ! To wynik doświadczeń !! Termodynamika techniczna 2012/2013

Zasady termodynamiki: Termodynamika … Zasady termodynamiki: Termodynamika klasyczna – opis stanów równowagi, wykresy przemian – kolejne stany równowagi, co więcej, przebieg przemian tak ‘przeprowadzony’ z założenia procesy odwracalne – quazistatycznie Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … Zasady termodynamiki: CZWARTA ♦ Zasada Onsagera – opis procesów nierównowagowych. W przyrodzie i technice niestety, nie występują stany równowagi termodynamicznej. W rzeczywistości mamy do czynienia ze stanami nierównowagowymi, a one nie występują pojedynczo !!! Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … Procesy sprzężone: mieszanina dwóch cieczy, PRZYKŁAD Niech bodźcem będzie różnica temperatur, poza przepływem ciepła, w cieczy towarzyszyć będzie temu przemieszczanie się cieczy – termodyfuzja. Procesy sprzężone: mieszanina dwóch cieczy, gradient temperatury –> przewodzenie ciepła, towarzyszy temu wędrówka cieczy -> termodyfuzja , proces wtórny, powstaje gradient stężeń. Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … … w innych działach fizyki i nie tylko fizyki. Entropia w zapisie statystycznym: S = k ln W W – ilość możliwych realizacji danego stanu układu, k – stała Boltzmanna, równa R/NA, NA-stała Avogadra Entropia w informatyce, i nie tylko w informatyce – miara ilości informacji. Inne zastosowanie w opisie struktur matematycznych, np. termodynamika fraktali. Termodynamika techniczna 2012/2013

Termodynamika … to także Szukanie nowych rozwiązań Marzenia … ale czy tylko; koncepcja *, propagowana m. in. w krajach CE rozwój zrównoważony** to wykorzystanie systemu zasobów odnawialnych energii TAK by zachowywał swoje najważniejsze właściwości i mógł regenerować się w naturalny sposób. TAK, my MUSIMY o to zadbać ! *Energy & Environment, GUNT, Hamburg; także Bundestag 2002 ** Nie odkrywam nic nowego, w podstawie programowej, przedmiot PRZYRODA, 15.4 - zrównoważony rozwój alternatywą dla przyszłości świata. Termodynamika techniczna 2012/2013

Zrównoważony rozwój … wybrane problemy Źródła energii w systemach (odnawialne): energia słoneczna, na różny sposób wykorzystywana energia wodna, wiatr, biomasa, energia geotermalna, … Termodynamika techniczna 2012/2013

Mały przykład, wieża słońca Wyjaśnienie zasady działania: - zagadnienia energii słonecznej, - temperaturowa zależność parametrów gazu, - przenoszenie energii m. in. konwekcja, - przepływy cieczy i gazów – sprawność urządzenia. Wiatr pod ‘dachem’ - 50 km/h, 32 turbiny o mocy 6,5 MW Inne zagadnienia: - wpływ na środowisko, - elementy ekologii, Termodynamika techniczna 2012/2013

Laboratorium TT , następny semestr Ćwiczenia ilustrujące zagadnienia przetwarzania energii w systemach zasobów odnawialnych: 1. Przemiany energii, troszkę fizyki … wymiana energii 2. Energia elektryczna z energii słonecznej, ogniwa, wieża 3. Energia cieplna z energii słonecznej… efekt cieplarniany 4. Technologia wodorowa, ogniwa paliwowe 5. Energia wiatru… widzieliśmy wcześniej, różne wiatraki 6. Energia wody, zapory, fale, przypływy … turbiny 7. Energia otoczenia, pompa cieplna, gejzery … 8. Paraboliczne lustro jako źródło mocy, kolektory, Termodynamika techniczna 2012/2013