ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!



Samankaltaiset tiedostot
Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

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

kuonasula metallisula Avoin Suljettu Eristetty S / Korkealämpötilakemia Termodynamiikan peruskäsitteitä

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

Konventionaalisessa lämpövoimaprosessissa muunnetaan polttoaineeseen sitoutunut kemiallinen energia lämpö/sähköenergiaksi höyryprosessin avulla

Hydrostaattinen tehonsiirto. Toimivat syrjäytysperiaatteella, eli energia muunnetaan syrjäytyselimien staattisten voimavaikutusten avulla.

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]

Oikeat vastaukset: Tehtävän tarkkuus on kolme numeroa. Sulamiseen tarvittavat lämmöt sekä teräksen suurin mahdollinen luovutettu lämpö:

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

Tämän päivän ohjelma: ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 3 / Kommentti kotilaskuun 2 Termodynamiikan 1. pääsääntö 9/26/2016

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Kemialliset reaktiot ja reaktorit Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta I

782630S Pintakemia I, 3 op

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

Luku 8 EXERGIA: TYÖPOTENTIAALIN MITTA

Aineen olomuodot ja olomuodon muutokset

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

Termodynaamisten tasapainotarkastelujen tulokset esitetään usein kuvaajina, joissa:

Puhtaat aineet ja seokset

Luento 4. Termodynamiikka Termodynaamiset prosessit ja 1. pääsääntö Entropia ja 2. pääsääntö Termodynaamiset potentiaalit

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

Tärkeitä tasapainopisteitä

Tämän päivän ohjelma: ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 3 / TERVETULOA! Termodynamiikan 1. pääsääntö 9/25/2017

Faasipiirrokset, osa 2 Binääristen piirrosten tulkinta

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

ln2, missä ν = 1mol. ja lopuksi kaasun saama lämpömäärä I pääsäännön perusteella.

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

HSC-ohje laskuharjoituksen 1 tehtävälle 2

Palautus yhtenä tiedostona PDF-muodossa viimeistään torstaina

Lämpöopin pääsäännöt

Lämpöoppia. Haarto & Karhunen.

Fysiikan kurssit. MAOL OPS-koulutus Naantali Jukka Hatakka

Sähkökemian perusteita, osa 1

PAINOPISTE JA MASSAKESKIPISTE

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Ohjeellinen pituus: 2 3 sivua. Vastaa joko tehtävään 2 tai 3

Faasi: Aineen tila, jonka kemiallinen koostumus ja fysikaalinen ominaisuudet ovat homogeeniset koko näytteessä. P = näytteen faasien lukumäärä.

PROSESSISUUNNITTELUN SEMINAARI. Luento vaihe

Lämmityksen lämpökerroin: Jäähdytin ja lämmitin ovat itse asiassa sama laite, mutta niiden hyötytuote on eri, jäähdytyksessä QL ja lämmityksessä QH

Sukunimi: Etunimi: Henkilötunnus:

DEE Kryogeniikka

Chem-C2400 Luento 3: Faasidiagrammit Ville Jokinen

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

Peliteoria luento 1. May 25, Peliteoria luento 1

4. Kontrollitilavuusajattelu ja massan säilyminen. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

MIKKELIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka T8415SJ Energiatekniikka. Hannu Sarvelainen HÖYRYKATTILAN SUUNNITTELU

Dislokaatiot - pikauusinta

energian), systeemi on eristetty (engl. isolated). Tällöin sekä systeemiin siirtynyt

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

Luento 9 Kemiallinen tasapaino CHEM-A1250

Metra ERW 700. Energialaskuri

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

3. Bernoullin yhtälön käyttö. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Spontaanissa prosessissa Energian jakautuminen eri vapausasteiden kesken lisääntyy Energia ja materia tulevat epäjärjestyneemmäksi

- Termodynamiikka kuvaa energian siirtoa ( dynamiikkaa ) systeemin sisällä tai systeemien kesken (vrt. klassinen dynamiikka: kappaleiden liike)

Laskun vaiheet ja matemaattiset mallit

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Torstai klo Termodynamiikan käsitteitä

Lasku- ja huolimattomuusvirheet ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu ylöspäin, esim. 2 1/2 p = 2 p.

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

Puun termiset aineominaisuudet pyrolyysissa

6. Yhteenvetoa kurssista

Muita lämpökoneita. matalammasta lämpötilasta korkeampaan. Jäähdytyksen tehokerroin: Lämmityksen lämpökerroin:

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

12 Oligopoli ja monopolistinen kilpailu

Faasialueiden nimeäminen/tunnistaminen (eutek1sessa) tasapainopiirroksessa yleises1

LUKU 16 KEMIALLINEN JA FAASITASAPAINO

1. (*) Luku 90 voidaan kirjoittaa peräkkäisen luonnollisen luvun avulla esimerkiksi

Transistori. Vesi sisään. Jäähdytyslevy. Vesi ulos

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

CHEM-A1250 KEMIAN PERUSTEET kevät 2016

Teddy 1. välikoe kevät 2008

7. Differentiaalimuotoinen jatkuvuusyhtälö. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Liike ja voima. Kappaleiden välisiä vuorovaikutuksia ja niistä aiheutuvia liikeilmiöitä

Kaasu Neste Kiinteä aine Plasma

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

Transkriptio:

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA! Luento 14.9.2015 / T. Paloposki / v. 03 Tämän päivän ohjelma: Aineen tilan kuvaaminen pt-piirroksella ja muilla piirroksilla, faasimuutokset Käsitteitä ja määritelmiä Lämpötila käsitteenä ja lämpötilan mittaus 1

pt-piirros, aineen tila ja faasimuutokset Lähde: Tribus (1961) s. 204, 206. pt-, pv- ja pvt-piirrokset Lähde: Sears (1953) s. 91, 93. 2

Veden ja heliumin piirrokset Lähde: Sears (1953) s. 94, 99. Käsitteitä ja määritelmiä systeemi, ympäristö, taseraja systeemin tila, termodynaamiset koordinaatit, ekstensiiviset suureet ja intensiiviset suureet tasapaino homogeeniset ja heterogeeniset systeemit prosessi 3

Systeemi, ympäristö, taseraja Systeemi Ympäristö Taseraja - on tarkastelumme kohde on kaikki muu erottaa systeemin ympäristöstä - Pelkkä systeemi on vain harvoin kiinnostava. Useimmiten meitä kiinnostaa myös vuorovaikutus systeemin ja ympäristön välillä. Tästä päästään aikanaan tilanmuutoksiin ja prosesseihin. - Taseraja ei läheskään aina ole mikään fyysinen raja, esim. seinämä. Taseraja voi olla täysin kuvitteellinen. Taseraja voi myös muuttaa muotoaan esim. systeemin laajentuessa tai kutistuessa. Esimerkkisysteemi 1 - Systeemi on säiliössä oleva kaasu. - Taserajana ovat säiliön seinämät. - Kyseessä on suljettu systeemi: systeemiin ei tule eikä siitä poistu ainetta, vaan tarkastelemme täsmälleen samoja atomeita koko ajan (atomit voivat kylläkin reagoida keskenään kemiallisesti, jolloin yhdisteitä muodostuu ja häviää). - Vuorovaikutus ympäristön kanssa muodostuu yleensä lähinnä lämmönsiirrosta systeemin ja ympäristön välillä. - Jos systeemi on täydellisesti lämpöeristetty (adiabaattinen), kyseessä on eristetty systeemi. 4

Esimerkkisysteemi 2 - Systeemi on sylinterissä oleva kaasu tai neste. - Taserajana ovat sylinterin seinämät ja mäntä. - Kyseessä on taaskin suljettu systeemi: systeemiin ei tule eikä siitä poistu ainetta. - Vuorovaikutus ympäristön kanssa voi lämmönsiirron lisäksi olla myös työtä: männän liikkuessa systeemi voi joko laajentua (samalla systeemi tekee työtä ympäristöönsä) tai puristua kokoon (samalla ympärstö tekee systeemiin työtä). - Suljetun systeemin tilavuuden muutokseen liittyy aina työtä. Esimerkkisysteemi 3 - Systeemi on virtauskanavassa liikkuva kaasu- tai nestealkio. - Taserajana ovat kanavan seinämät ja kaksi kuvitteellista pintaa (alkion keula ja perä ). - Systeemi ja taserajat liikkuvat seuratessaan alkion liikettä virtauksen mukana. - Tämäkin on suljettu systeemi. Virtaussuunta - Voidaan ajatella toisinkin: kiinnitetään taserajat paikoilleen ja annetaan aineen virrata systeemiin sisään perän kautta ja ulos keulan kautta. Tällöin on kyseessä avoin systeemi. 5

Esimerkkisysteemi 3 jatkoa - Avoimen systeemin vuorovaikutukseen ympäristön kanssa sisältyy periaatteessa aina työtä. - Kun systeemiin saapuu uutta ainetta, joutuu ympäristö tekemään työtä sisäänvirtauskohdassa vallitsevaa painetta vastaan. Muuten ei uutta ainetta saada työnnetyksi sisään systeemiin. - Kun systeemistä poistuu ainetta, joutuu systeemi tekemään työtä ulosvirtauskohdassa vallitsevaa painetta vastaan. Muuten ei ainetta saada systeemistä ulos. - Sisäänvirtaustyö ja ulosvirtaustyö huomioidaan systeemin energiataseessa käyttämällä entalpian käsitettä. - Avoimen systeemin ja ympäristön välillä voi luonnollisesti olla muitakin työksi luokiteltavia vuorovaikutuksia. Sovellutuksia Monimutkaiset järjestelmät kannattaa jakaa osiin. Kukin komponentti muodostaa oman osasysteeminsä. 6

Esimerkkisysteemi 4 - Systeemi on pieni ainemäärä, alkio, osana isoa kokonaisuutta, esimerkiksi ilmakehää. - Taseraja muodostuu kokonaisuudessaan kuvitteellisista pinnoista. Ilma-alkio Systeemin tila - Systeemin tilaa kuvataan systeemin ominaisuuksilla. - Ominaisuudet ovat mitattavissa olevia fysikaalisia suureita. - Laajasti käsitettynä: systeemin tila on systeemin kaikkien mitattavissa olevien suureiden muodostama kokonaisuus. - Suppeasti käsitettynä: systeemin tila on määrätty, kun tunnetaan riittävä määrä mitattavissa olevia suureita (ns. termodynaamiset koordinaatit). - Riittävä tarkoittaa tässä sitä, että joukko muita tärkeitä suureita voidaan (ainakin periaatteessa) laskea tunnetuista suureista. - Jälkimmäinen määritelmä on käytössä termodynamiikassa. - Usein tilan määräytymiseen riittää, että tunnetaan kaksi suuretta. 7

Koordinaatit > < tila - Matematiikassa pisteen asema tasolla määräytyy, kun kiinnitetään kaksi koordinaattia. Voidaan käyttää esim. suorakulmaista karteesista koordinaatistoa (koordinaatit x ja y) tai napakoordinaatistoa (koordinaatit r ja Φ). - Jos tunnetaan x ja y, voidaan laskea r ja Φ (ja kääntäen). Koordinaatit > < tila - Käytettävät koordinaatit voidaan valita monella tavalla. Esimerkiksi x ja Φ riittävät myös pisteen aseman määrittämiseen (paitsi jos x = 0). Sen sijaan x ja r eivät riitä (paitsi jos x = ±r). 8

Systeemin ominaisuudet - Suureet (ominaisuudet) voivat olla ekstensiivisiä tai intensiivisiä. - Ekstensiiviset suureet ovat verrannollisia systeemin suuruuteen (esim. massa, ainemäärä, tilavuus, jne.). - Intensiiviset suureet eivät ole verrannollisia systeemin suuruuteen (esim. tiheys, paine, lämpötila, jne.). - Ekstensiivisistä suureista voidaan johtaa intensiivisiä suureita jakamalla kaksi ekstensiivistä suuretta keskenään. - Intensiivisten suureiden muodostamiselle ja merkinnöille on olemassa systemaattinen logiikka, joka on kuvattu standardeissa ISO 31 ja SFS 3655. Esimerkkejä ekstensiivisistä suureista: tilavuus =m massa = kg ainemäärä = mol Esimerkkejä intensiivisistä suureista: ominaistilavuus = = [ ] [ ] = m kg moolitilavuus = = [ ] [ ] = m mol (yleensä yksikkönä käytetään m 3 /kmol) moolimassa = = [ ] [ ] = kg mol (yleensä yksikkönä käytetään g/mol tai kg/kmol) 9

Tasapaino - Termodynamiikka tutkii tasapainossa olevia systeemeitä. - Tasapainossa oleva systeemi ei muutu itsekseen ajan funktiona vaan sen tila pysyy entisellään ( => aika häviää yhtälöistä). - Tasapainon edellytykset ovat: Mekaaninen tasapaino: systeemiin vaikuttavat voimat ovat tasapainossa. Terminen tasapaino: systeemi on kauttaaltaan vakiolämpötilassa. Faasitasapaino: jos systeemissä esiintyy useampi kuin yksi faasi, eri faasien osuudet vastaavat tasapainotilaa. Käsitteen faasi määritelmä: katso seuraava dia. Kemiallinen tasapaino: eri yhdisteiden määrät vastaavat tasapainotilaa. Diffuusiotasapaino: eri yhdisteiden pitoisuudet ovat kauttaaltaan vakioita. Homogeeninen systeemi - Tasapainossa oleva systeemi on homogeeninen, jos systeemiä kuvaavilla intensiivisillä suureilla on samat arvot systeemin jokaisessa kohdassa. - Esim. nestemäinen vesi voi muodostaa homogeenisen systeemin; samoin vesihöyry voi muodostaa homogeenisen systeemin. - Nestemäisen veden ja vesihöyryn seos ei ole homogeeninen, koska höyryn ominaistilavuus on paljon suurempi kuin veden ominaistilavuus. - Ko. seos voi silti olla tasapainossa. Tällöin seos muodostuu kahdesta osasysteemistä, jotka kumpikin itsessään ovat homogeenisia ja jotka ovat tasapainossa keskenään. - Näitä osasysteemeitä kutsutaan faaseiksi. 10

Prosessi - Tasapainossa olevan systeemin tila voi muuttua, jos systeemin ja ympäristön välillä vallitsee vuorovaikutuksia. - Suljetun systeemin tapauksessa vuorovaikutuksia ovat energian tuonti systeemiin tai poistaminen systeemistä. Energian tuonti ja poistaminen voivat tapahtua työn tai lämmön muodossa. - Termodynamiikassa tarkastellaan prosesseja, jotka etenevät sarjana peräkkäisiä tasapainotiloja (ns. kvasistaattiset prosessit). - Tällöin systeemi on joka hetkellä sisäisesti tasapainossa (systeemissä ei ole sisäisiä paine-eroja, lämpötilaeroja, jne.). - Prosessien tulee siis tapahtua niin hitaasti, että paine-erot, lämpötilaerot, jne. systeemin sisällä ehtivät tasoittua. Lämpötilan käsite - Tiedämme, että jää sulaa lämpötilassa 0 ºC ja vesi kiehuu lämpötilassa 100 ºC. - Miten toteutetaan lämpötila 50 ºC? - Entä 200 ºC? 11

Vakiotilavuuslämpömittari 1,366099 Lähde: Kirk-Othmer (1997), s. 810 811. Lähteet - Kirk-Othmer encyclopedia of chemical technology, 4th ed., Vol. 23. John Wiley & Sons, New York, 1997. ISBN 0471-52692-4. - F. W. Sears, An introduction to thermodynamics, the kinetic theory of gases, and statistical mechanics, 2nd ed. Addison-Wesley Publishing Company, Reading, 1953. - M. Tribus, Thermostatics and thermodynamics. D. van Nostrand Company, Princeton, 1961. 12