Tämän päivän ohjelma: ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Transkriptio

1 ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA! Luento / T. Paloposki / v. 01 Tämän päivän ohjelma: Tilanyhtälöt (kertaus) Termodynamiikan 1. pääsääntö (energian häviämättömyyden laki) 1

2 pt-, pv- ja pvt-piirrokset Lähde: Sears (1953) s. 91, 93. 2

3 Tilanyhtälöiden vertailu Hiilidioksidi Clausius Paine [kpa] Ideaalikaasu van der Waals T = 31 C Moolitilavuus [m 3 /kmol] Lähde: Tribus (1961) s

4 Lähde: Cengel ja Boles (2007) s Vesihöyryn TV-piirros ja ideaalikaasuolettamuksesta aiheutuva virhe eri tilanteissa. Termodynamiikan 1. pääsääntö Energian häviämättömyyden laki tai energian säilymisen laki. Feynman et al. (1963, s. 4-7):... In quantum mechanics it turns out that the conservation of energy is very closely related to another important property of the world, things do not depend on absolute time. We can set up an experiment at a given moment and try it out, and then do the same experiment at a later moment, and it will behave in exactly the same way.... 4

5 Termodynamiikan 1. pääsääntö Verbaalinen muotoilu: Systeemin energian muutos = Energia, jonka systeemi ottaa ympäristöstään Energia, jonka systeemi luovuttaa ympäristöönsä Toinen tapa muotoilla sama asia: Ei voida rakentaa konetta, joka tuottaa energiaa tyhjästä. => 1. lajin ikiliikkuja on mahdoton (vrt. Lampinen s. 33) Termodynamiikan 1. pääsääntö Miten voimme todistaa, että termodynamiikan 1. pääsääntö on totta? Vastaus: emme mitenkään. Kyseessä on aksiooma eli etukäteen valittu ja todeksi oletettu lausuma. Tähän mennessä kukaan ei ole kuitenkaan vielä koskaan kiistattomasti havainnut mitään sellaista, mikä olisi ristiriidassa termodynamiikan 1. pääsäännön kanssa. 5

6 Energian lajit Koeta keksiä, mitä erilaisia energian lajeja systeemillä voi olla. Voit työskennellä omin päin tai kaveri(e)n kanssa. Kirjallisuutta ja nettiä saa käyttää. Systeemin energia E = U + E kin + E pot Systeemin kokonaisenergia Systeemin potentiaalienergia (suhteessa ulkoiseen koordinaatistoon) Systeemin sisäenergia (energia, joka on riippumaton ulkoisesta koordinaatistosta) Systeemin kineettinen energia (suhteessa ulkoiseen koordinaatistoon) 6

7 Tavallisesti: Useimmiten tarkastelun kohteena vain: - Systeemin atomien (tai molekyylien) liike-energia ( mikroskooppinen liike-energia, järjestäytymätön liike-energia ). - Systeemin atomien (tai molekyylien) välinen potentiaalienergia ( mikroskooppinen potentiaalienergia tai järjestäytymätön potentiaalienergia ). Toisinaan myös: - Systeemin atomien välisiin sidoksiin liittyvä kemiallinen sidosenergia ( kemiallinen energia ). Merkinnät: ISO 31 / SFS 3655 Sisäenergia = J (kj) Ominaissisäenergia = = J/kg (kj/kg) Moolinen sisäenergia = = J/mol (kj/kmol) 7

8 Termodynamiikan 1. pääsääntö Tarkastellaan oheista prosessia, jossa systeemi siirtyy alkutilasta A lopputilaan B pitkin prosessipolkua G ( prosessi P ). B (loppupiste) G (prosessipolku, reitti ) Oletetaan, että systeemin energiaa kuvaamaan riittää sisäenergia U. A (alkupiste) 1. pääsäännön matemaattinen muotoilu ΔU = U(B) U(A) = Q(P) W(P) Systeemin sisäenergian muutos Systeemin sisäenergia lopputilassa B Systeemin sisäenergia alkutilassa A Lämpö, joka siirtyy ympäristöstä systeemiin prosessissa P Lampinen yhtälö (90) s. 36 Työ, jonka systeemi tekee ympäristöön prosessin P aikana 8

9 Työn merkkisääntö Edellä valittiin: Työ, jonka systeemi tekee ympäristöön, on positiivista; työ, jonka ympäristö tekee systeemiin, on negatiivista. Olisi voitu valita myös toisin päin, ja näin on itse asiassa tehty monissa termodynamiikan kirjoissa. => Ota aina selvää, mitä merkkisääntöä käytetään! Työn ja lämmön määritelmät Giancoli (2008, luku 19-6, s. 505):... heat is a transfer of energy due to a difference in temperature, whereas work is a transfer of energy that is not due to a temperature difference. Holman (1988 s. 42, s. 54): Work is defined as the energy expended by a force acting through a distance. ; heat is thought of as an energy exchange with the surroundings which does not take the form of a force acting through a distance Ҫengel ja Boles (2007, s. 60, 62): Heat is defined as the form of energy that is transferred between two systems (or a system and its surroundings) by virtue of a temperature difference ; work is the energy transfer associated with a force acting through a distance 9

10 Työn ja lämmön määritelmät Termodynamiikassa kaksi yleisintä työn muotoa ovat: Systeemin tilavuuden Muilla keinoilla taserajan läpi muutoksiin liittyvä työ, siirtyvä mekaaninen työ tilavuudenmuutostyö (esim. pumppu, turbiini) Työn ja lämmön määritelmät Jos ainoa työn muoto on tilavuudenmuutostyö, voidaan kirjoittaa: = = = ja edelleen: = = 10

11 Lähteet - Y. A. Ҫengel & M. A. Boles (2007), Thermodynamics, an engineering approach, 6 th ed. McGraw-Hill, Boston. ISBN R. P. Feynman, R. B. Leighton & M. Sands (1963), The Feynman lectures on physics. Addison-Wesley Publishing Company, Reading. Huom.: myös nettiversio osoitteessa - D. C. Giancoli (2008), Physics for scientists and engineers, Vol. I, 4 th ed. Pearson Education Inc., Upper Saddle River. ISBN J. P. Holman (1988), Thermodynamics, 4 th ed. McGraw-Hill Book Company, New York. ISBN