LÄMPÖOPPIA Aineen lämpötila t aineen saaman lämpömäärän Q funktiona; t = t(q)

Transkriptio

1 LÄMÖOIA Aineen lämpöila aineen saaman lämpömäärän Q funkina; (Q) C Q 5 F D Q 4 Q 3 B Q C Q Q A N R G I A A S I T O U T U U N R G I A A V A A U T U U AB: Kiineä aine lämpenee (BA: jäähyy) Q cm BC: Kiineä aine sulaa (CB: jähmeyy) Q sm CD: Nese lämpenee (DC: jäähyy) Q 3 cm D: Nese kiehuu (D: iivisyy) Q 4 rm F: Höyry lämpenee (F: jäähyy) Q 5 cm

2 sim. Kuinka paljn lämpöenergiaa arviaan muuamaan 3,0 kg -5 C jäää 0-aseiseksi vesihöyryksi? Vesihöyryn minaislämpökapasieei vakipaineessa cp,0. kg C Rak. ) Jään lämmiys: -5 C 0 C: - jään minaislämpökapasieei (- 4 C) c,09 kg C (MAOL s. 77 (77)) Q cm,09 3,0kg 5 C 94,05 kg C ) Jään sulaus: 0 C: - jään (vesi) minaissulamislämpö s 333 (MAOL s. 78 (78)) kg Q s m 333 3,0kg kg 999 3) Veden lämmiys: 0 C 00 C: - veden minaislämpökapasieei c 4,9 (MAOL s. 78 (78)) kg C Q3 cm 4,9 3,0 kg 00 C 57 kg C 4) Veden höyrysys: 00 C: - veden minaishöyrysymislämpö Q4 r m 60 3,0 kg 6780 kg r 60 (MAOL s. 79 (79)) kg 5) Höyryn lämmiys: 00 C 0 C: - vesihöyryn minaislämpökapasieei vakipaineessa c p,00 kg C - c p (Hum! MAOL s. 78 (78) n anneu kaasuille cp ja, mua ei c V vesihöyrylle) Q5 cp m,00 3,0 kg 0 C kg C 0. Tarviava lämpöenergia yheensä: Q Q + Q + Q3 + Q4 + Q5 Q 94, ,05 Q 9,3 MJ.

3 NRGIAN TUOTTAMISN FYSIKAALINN RUSTA ) VSIVOIMALA - iminnan fysikaalinen perusa n veden peniaali- ja liike-energian muuaminen urbiinin pyörimisenergiaksi ja edelleen generaarin avulla sähköenergiaksi - hyöysuhde: η 80% - 90% (mgh mv sähköenergia...) Js peniaalienergian nllaasksi valiaan veden pina alhaalla urbiinin aslla, niin vesivimalan aneh saadaan yhälösä: W η η mgh ηρvgh p ( p mgh, ρ mv) missä ηρvgh eh (W) η hyöysuhde, η an ρ veden iheys 000 kg/m 3 g puamiskiihyvyys, g 9,8 m/s h puduskrkeus (m) V viraama eli ilavuusvira (m 3 /s). - Sumessa n nin 50 vesivimalaisa, jiden yheenlaskeu eh n lähes 3000 MW - Sumen suurin vesivimalais n vunna 99 sähkön uann valjaseu Imaranksken vesivimalais Imaralla: eh 85 MW, viraama suurimmillaan 940 m/s 3, puduskrkeus 5 m, sähköenergian vuuinen u n nin 000 GWh - eäsksken vesivimalais Kemijella n iseksi suurin vesivimalais, eh 8 MW, puduskrkeus 0,5 m ja vuuinen energianu 638 GWh - Sumessa ueaan vesivimalla nin 9 % sähköenergiasa. - maailman suurin vesivimalais n Kiinassa sijaiseva Klmen rkn pa, jnka puduskrkeus n 8 m, eh MW ja vuuinen sähkönuan 84,7 TWh. ) TUULIVOIMALA - iminnan fysikaalinen perusa n ilmaan liike-energian muunaminen uulivimalan siipien pyörimisenergiaksi ja edelleen generaarin avulla sähköenergiaksi ( mv sähköenergia...) - hyöysuhde η nin %.

4 Jhdeaan seuraavaksi uulivimalan ehn lauseke. Tarkasellaan suran ympyrälieriön muisa ilmamassaa, jka khaa uulivimalan siive (ks. kuvi). Olkn phjaympyrän säde r, jka n yhä suuri kuin uulivimalaan siiven piuus. Ilmamäärä kulkee npeudella v ajassa Δ makan h, jen lieriön piuus n h v Δ. Ilmalieriön liike-energia n k mv. Kun eaan lisäksi humin, eä massa m ρv, ilavuus V Ah, niin m ρv ρah ρav Δ, ja liike-energian lauseke saa mudn 3 k ρ Av v ρav. Kska A πr, niin liike-energia n k 3 ρπ r v. h v Δ Teh n energianu aikayksikössä eli jen uulivimalan hyöyeh n, η η ρπ r 3 v missä η n hyöysuhde.

5 Tuulivimalan hyöyeh n siis missä η ρπ r η hyöysuhde, 3 v an η ρ ilman iheys,9 kg/m 3 r uulivimalan siipien piuus (m) v uulen npeus (m/s). On humaava, eä uulivimalan eh n siis suraan verrannllinen siiven piuuden neliöön ja uulen npeuden kuuin eli ~ r v 3. Vuden 03 lpussa Sumessa li uulivimalaa, jiden yheenlaskeu kapasieei li 448 MW. Tuulivimalla ueiin nin % Sumen sähkönkuluuksesa (nin 77 GWh) vunna 03. Sumessa n uulivimalille sveluvia alueia eriyisesi ranniklla, merialueilla ja Lapin unureilla. Usein rakenneaan uulivimapuisja, jissa n useia uulivimalaiksia. Tuulivimalaikse va nimellisehlaan nin 3 MW:n suuruisia, mua suurempia, jpa 5 MW:n, uulivimalia n rakeneilla. 3) OLTTOROSSSIT - palamisreakissa vapauuva kemiallinen energia n siuunu pleavaan aineeseen kasvin käyäessä Auringn säeilyenergiaa yheyämisreakissa - plprsesseissa hyöysuhde n nin % - erilaise plprsessi va ärkeimpiä lämpöenergian läheiä maapalllla Auringn lämpösäeilyn hella - plaineiden lämpöarv eli palamislämpö H ilmiaa, kuinka paljn palamisreakissa vapauuu energiaa plaineen massayksikköä khi; Q H m Täsä saadaan palamisreakissa vapauuvan energian määrälle lauseke Q Hm missä Q palamisreakissa vapauuva energia (MJ) m pleavan aineen massa (kg) H plaineen lämpöarv (MJ/kg), (ks. MAOL s. 85 (85)). sim. pleaessa,0 kg kksia saadaan energiaa Q,0 kg 8 MJ/kg 56 MJ.

6 lvimalan lämmiyseh n plprsessissa vapauuva energia aikayksikköä khi;. Kun humiidaan hyöysuhde η ja energia Q Hm, niin plvimalan anehlle saadaan lauseke ηhm missä lämmiyseh eli hyöyeh, aneh (W) η hyöysuhde H plaineen lämpöarv (MJ/kg), (MAOL s. 85 (8)) m plaineen massa (kg) aika (s). SIM. - Inkssa n neljä kappalea hiililauhdevimalia; 4 x 50 MW 000 MW - Meri-rin kivihiilä käyävän lauhdevimalan sähköeh n 565 MW ja hyöysuhde 44 % - iearsaaressa (Alhlmens Kraf ) n bivimalais, jnka sähköeh n 40 W ja musalipeää käyävä sdakailavimalais ehlaan 40 MW - Kkassa (Mussal ) n maakaasukmbivimalais, jnka sähköeh n 38 MW - Krisiinankaupungissa n öljyvimalais, jnka sähköeh n 0 MW - Seinäjella n urve- ja hakevimalais, jnka sähköeh n 5 MW. Taulukssa (MAOL s. 85 (85)) n plaineiden lämpöarvja (MJ/kg): ammniakki 7, aseyleeni 48,6 bensiini 43,5 eanli 6,9 kaupunkikaasu 34 kivihiili, 6 3 anrasiii 3 34 kksi 8 ruskhiili 0 maakaasu 46 meaani 49,8 meanli 9,5 nesekaasu 4 43 perli 43 kuiva halk 8 9 plöljy, kevy 43 raskas 4 urve vey 9

7 4) YDINVOIMA - ydinvimalan energia n pääasiassa uraaniyimien halkeamisueiden liike-energiaa, ydinvimalan hyöysuhde n nin 30 % - vapauuvaa energiaa käyeään, kuen lämpövimalissa, veden kuumenamiseen ja höyrysämiseen ja höyryurbiinien sekä sähkögeneraarin väliyksellä sähköenergian uamiseen - Ydinvimalan rakenne ja iminaperiaae (ks. YO-SYKSY-997-3) ydinreakrissa hidaseu neurni örmäävä uraani-yimeen 9 U, jllin apahuu fissi eli raskas uraani-35 ydin halkeaa kahdeksi keskiraskaaksi yimeksi ja samalla vapauuu 3 neurnia ja energiaa. räs mahdllinen uraani-35 halkeamisreaki n seuraava: n + 9U 56Ba + 36Kr + 30 n + 00 MeV Reakissa vapauunee 3 neurnia absrbidaan sääösauvihin, niin eä vapauuvien neurnien määrä n vaki ja näin synynee neurni halkaiseva yhä uusia uraaniyimiä ja näin kejureaki jakuu halliuna. - kun nukleni (prni ja neurni) liiyvä yheen sa nuklenien massasa muuuu sidsenergiaksi B. Tää massan muusa sanaan massavajeeksi eli massakadksi Δm. - massa n suheellisuuserian mukaan yksi energian esiinymismu ja massavajaa vasaava energia saadaan yhälösä m c. B m m m < m Δm m m > 0 eli m < m - massa pienenee nuklenien liiyessä yheen massavaje Δm - ydinreakissa massaka ja vapauuva energia n miljnakerainen verrauna kemiallisiin reakiihin! - sidssuus n yimen pysyvyyden (sabilieein) mia; miä suurempi n sidssuus siä pysyvämpi n amiydin. Sidssuus b määriellään seuraavasi: sidssuus n sidsenergia nuklenia khi:

8 missä b B A b sidssuus (MeV/nukleni), B sidsenergia (MeV) A massaluku N+ Z (neurnien lkm + prnien lkm) Fississa kevye yime yhyvä raskaammiksi ja energiaa vapauuu. räs mahdllinen fissireaki n seuraava: 3 4 H + H He + 0n + Massavaje sekä fississa eä fuusissa laskeaan lausekkeesa: sidsenergia inseinin relaailla B Δm c. m m uee m lähöainee ja 7,6 MeV Alla levassa kuvassa n esiey sidssuus massaluvun A funkina; b b(a). Sidssuus n suurin keskiraskailla yimillä (A ~ 60) nin 8 9 MeV/nukleni. b B A 9 b (MeV/nukl.) FUUSIO S I D O S O S O S U U S K Ä Y RÄ FISSIO 60 A

9 SIDOSOSUUSKÄYRÄN AVULLA VOIDAAN SLITTÄÄ YDINNRGIAN VAAUTTAMISN FYSIKAALINN RUSTA: - raskaan yimen hajessa (fissi) kahdeksi keskiraskaaksi yimeksi sidssuus kasvaa nukleni va siis lujemmin siuunee kuin ennen fissia sidsen vahvisuessa vapauuu energiaa - kahden kevyen yimen liiyessä yheen (fuusi) sidssuus kasvaa yksiäinen nukleni n myös lujemmin siuunu kuin ennen fuusia sidkse vahvisuva energiaa vapauuu W η η m c Ydinvimalan eh n m c η missä Δm massaka eli massavaje, m m uee m lähöainee an η hyöysuhde, η, c valn npeus, c 3,0 0 8 m/s, aika (s). - ydinreakiissa vapauuva energia ( MeV) n suuruuslukalaan miljnakerainen (0 6 ) kemiallisissa reakiissa vapauuvaan energiaan ( ev) verrauna. Kaikesa Sumessa käyeysä sähkösä nin neljännes (6 %) ueaan ydinvimalla (03). - urajen Olkiludssa n kaksi 880 MW kiehuusvesireakria (Olkilu I, II) BWR, x 880 MW), jiden yheenlaskeu nesähköeh n 760 MW. - Lviisassa n kaksi painevesireakria (WR, x 496 MW), jiden nesähköeh yheensä n 99 MW (Lviisa I, II). - Lisäksi Sumeen n rakeneilla viides ydinvimalais (Olkilu 3), jnka ehn 600 MW. Uusi vimalais n ekniikalaan ns. klmannen sukuplven kevyvesireakri ja mallilaan eurppalainen painevesireakri eli R. Vimala n ehlaan maailman suurin vimalayksikkö. Sen lienee kaupallisessa käyössä vuna 08 (?). (vr. YO-K95-7). Lisäksi Sumeen n suunnieilla kaksi ydinvimalaa: Olkilu 4; nin 500 MW (suunnielu 03, kaupallinen uan nin 00), yhäjki; 00 MW (suunnieilla, kaupallinen uan nin 04).

10 ##################################################################### SUOMN YDINVOIMALAT: Lviisa, : x 496 MW 99 MW (WR) Olkilu, : x 880 MW 760 MW (BWR) Olkilu 3: 600 MW 08? (R) Olkilu 4: nin 500 MW --- suunnieilla--- yhäjki: 00 MW ---- suunnieilla--- kg uraaniplainea kg hiilä halkeaminen palaminen sama määrä lämpöenergiaa Sähkön uan energialäheiäin 03 (68, TWh) Kivihiili 4,6 % Öljy 0,4 % Vesivima 8,7 % Uusiuuva 36 % Maakaasu 9,9 % Tuulivima, % Turve 4,9 % (v. 0 4 %) Hiilidiksidivapaa 69 % (v %) Ydinvima 33,3 % Jäe,4 % Bimassa 5,7 % Kimaise: 4 % (v %) hp://energia.fi/energia-ja-ymparis/sahknuan