PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Samankaltaiset tiedostot
PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

T H V 2. Kuva 1: Stirling kiertoprosessi. Ideaalisen Stirlingin koneen sykli koostuu neljästä osaprosessista (kts. kuva 1):

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 9 /

1 Clausiuksen epäyhtälö

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

VIII KIERTOPROSESSIT JA TERMODYNAAMISET KONEET 196

Clausiuksen epäyhtälö

Lämpöopin pääsäännöt

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

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

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

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

Lämpöopin pääsäännöt. 0. pääsääntö. I pääsääntö. II pääsääntö

Ideaalikaasulaki. Ideaalikaasulaki on esimerkki tilanyhtälöstä, systeemi on nyt tietty määrä (kuvitteellista) kaasua

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Termodynaamiset syklit Todelliset tehosyklit

PHYS-A0120 Termodynamiikka. Emppu Salonen

Palautus yhtenä tiedostona PDF-muodossa viimeistään torstaina

Termodynamiikka. Termodynamiikka on outo teoria. Siihen kuuluvat keskeisinä: Systeemit Tilanmuuttujat Tilanyhtälöt. ...jotka ovat kaikki abstraktioita

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Tämän päivän ohjelma: ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

6-1 Hyötysuhde ja tehokerroin

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

Luku 8 EXERGIA: TYÖPOTENTIAALIN MITTA

TERMODYNAMIIKAN KURSSIN FYS 2 KURS- SIKOKEEN RATKAISUT

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

Luku 6 TERMODYNAMIIKAN TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

Tekijä: Markku Savolainen. STIRLING-moottori

Thermodynamics: An Engineering Approach, 7 th Edition Yunus A. Cengel, Michael A. Boles McGraw-Hill, Luku 7 ENTROPIA

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

Termodynamiikan toinen pääsääntö (Second Law of Thermodynamics)

Valitse seuraavista joko tehtävä 1 tai 2

Luku Pääsääntö (The Second Law)

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

1. Laske ideaalikaasun tilavuuden lämpötilakerroin (1/V)(dV/dT) p ja isoterminen kokoonpuristuvuus (1/V)(dV/dp) T.

Luku 9 KAASU(VOIMALAITOS )- KIERTOPROSESSIT

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

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

Käytetään lopuksi ideaalikaasun tilanyhtälöä muutoksille 1-2 ja 3-1. Muutos 1-2 on isokorinen, joten tilanyhtälöstä saadaan ( p2 / p1) = ( T2 / T1)

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

FY9 Fysiikan kokonaiskuva

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ

Luku6 Tilanyhtälö. Ideaalikaasun N V. Yleinen aineen. paine vakio. tilavuus vakio

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

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

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

2. Termodynamiikan perusteet

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

DEE Kryogeniikka

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

Konekoulutus I Moottorioppi

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

Exercise 1. (session: )

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

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

Teddy 1. välikoe kevät 2008

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

TEKNIIKKA. Dieselmoottorit jaetaan kahteen ryhmään: - Apukammiomoottoreihin - Suoraruiskutusmoottoreihin

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

3Työ. 3.1 Yleinen määritelmä

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

6. Yhteenvetoa kurssista

Termodynamiikka ja nestevirtaukset

anna minun kertoa let me tell you

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

Luku 11 JÄÄHDYTYSPROSESSIT

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

Oikeasta vastauksesta (1p): Sulamiseen tarvittavat lämmöt sekä teräksen suurin mahdollinen luovutettu lämpö:

mv 2 - MEKAANISEN ENERGIAN SÄILYMISLAKI: E p + E k = vakio - TYÖ W = Fs, W = Fcosα s - MEKAANINEN ENERGIAPERIAATE: a a

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

LUKU 10 HÖYRY- JA YHDISTETYT KIERTOPROSESSIT

Harvan kaasun sisäenergia ja lämpökapasiteetit

Fysiikan maailmankuva 2015 Luento 8. Aika ja ajan nuoli lisää pohdiskelua Termodynamiikka Miten aika ja termodynamiikka liittyvät toisiinsa?

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Energian varastointi ja uudet energialähteet

On instrument costs in decentralized macroeconomic decision making (Helsingin Kauppakorkeakoulun julkaisuja ; D-31)

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Transkriptio:

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016 Emppu Salonen Prof. Peter Liljeroth Viikko 3: Lämpövoimakoneet ja termodynamiikan 2. pääsääntö Maanantai 14.11. ja tiistai 15.11.

Kurssin aiheet 1. Lämpötila ja lämpö 2. Työ ja termodynamiikan 1. pääsääntö 3. Lämpövoimakoneet ja termodynamiikan 2. pääsääntö 4. Entropia 5. Termodynaamiset potentiaalit 6. Faasimuutokset

Aiheet tällä viikolla Palautuvat prosessit Lämpövoimakoneet Stirlingin kone Carnot n kone Muita lämpövoimakoneita

Tavoitteet Osaat määritellä ja selittää käsitteet palautuva ja palautumaton prosessi Osaat sanallisesti ilmaista ja selittää termodynamiikan 2. pääsäännön (Clausiuksen ja/tai Kelvinin muotoilu) Osaat selittää lämpövoimakoneen toimintaperiaatteen ja osoittaa, että lämpövoimakoneista Carnot n koneella on korkein mahdollinen hyötysuhde Osaat laskea kiertoprosessissa tehdyn työn ja siirtyneen lämmön sekä näiden pohjalta määrittää kiertoprosessin (ideaalisen) hyötysuhteen

Palautuvat prosessit

Palautuva prosessi Prosessi on palautuva jos ja vain jos sen suunta voidaan täysin kääntää infinitesimaalisella muutoksella vallitsevissa olosuhteissa Suunnan muutos äärellisellä muutoksella ei ole riittävä ehto Tehdyn työn ja siirtyneen lämmön suunta vaihtuu Käänteisprosessissa systeemi ja ympäristö palaavat alkutilaan

Pohdintaa Mieti oheisissa tapauksissa prosessin luonnetta: millä ehdoilla se on palautuva/palautumaton?

Palautuvan prosessin ehdot 1. Prosessin täytyy olla kvasistaattinen 2. Prosessiin ei saa liittyä muistiefektejä (hystereesiä) toisin sanoen käännettäessä prosessi palaamme takaisin täsmälleen samaa reittiä pitkin ferromagneettisen aineen magnetoituma M magneettikentään voimakkuuden H funktiona ei-palautuva mekaaninen vaste venyttävälle voimalle

Kaasun mekaaninen työ Työhön liittyvä paine p 0 1) puristus 2) laajeneminen kaasun paine p Otetaan tarkasteluun systeemin kiertoprosessi, joka on palautumaton esim. kitkan vaikutuksesta. Mieti miten palautumattomassa kiertoprosessissa kierron nettotyö eroaa vastaavan palautuvan kiertoprosessin nettotyöstä. (Oheinen kuvaaja ei suoraan anna vastausta tähän, joskin siitä on apua) Kummassa tapauksessa systeemi pystyy tekemään enemmän työtä ympäristöönsä?

Lämpövoimakoneet

Höyrykone Newcomenin höyrykone (1712)

Lämpövoimakone Hyötysuhde tai

Termodynamiikan 2. pääsääntö Rudolf Clausius (1854): On mahdotonta rakentaa kiertokone, jonka ainoa vaikutus on lämmön siirtäminen kylmästä kappaleesta kuumempaan. tai Ei ole mahdollista toteuttaa prosessia, jonka ainoa lopputulos on lämmön siirtäminen kylmemmästä kappaleesta kuumempaan.

Termodynamiikan 2. pääsääntö Kelvin (185x): On mahdotonta rakentaa kiertokone, jonka ainoa vaikutus on muuntaa lämpövarannosta siirretty tietty määrä lämpöä kokonaan mekaaniseksi työksi. tai Ei ole mahdollista toteuttaa prosessia, jonka ainoa lopputulos on lämmön täydellinen muuntaminen mekaaniseksi työksi.

Lämpövoimakone On mahdotonta rakentaa lämpövoimakonetta, jonka hyötysuhde on 100%

Termodynamiikan 2. pääsääntö Osoitetaan, että Clausiuksen ja Kelvinin muotoilut termodynamiikan 2. pääsäännöstä ovat ekvivalentit. Tämä tehdään näyttämällä, että mikäli ensimmäinen muotoilu on epätosi, toisenkin täytyy olla epätosi. Ja toisin päin. Tässä ensimmäinen vaihe: 1. Tee (Q,W)-kaavio normaalille, palautuvalle lämpövoimakoneelle sekä koneelle, joka rikkoo Clausiuksen muotoilua 2. pääsäännöstä 2. Tarkastelemalla näitä kahta konetta yhtenä suurempana koneena osoita, että jos on mahdollista rikkoa Clausiuksen muotoilua 2. pääsäännöstä tästä automaattisesti seuraa, että voimme rikkoa Kelvinin muotoilua

Termodynamiikan 2. pääsääntö Kuuma Q 2 Q 1 C N W Q 2 Q 2 Kylmä Koneen ainoa vaikutus on lämmön Q 1 Q 2 muuttaminen työksi W Tämä rikkoo Kelvinin muotoilua toisesta pääsäännöstä!

Ja sitten toiseen suuntaan... Kuuma Q 2 Q 1 + Q 2 K W = Q 2 N Q 1 Kylmä Koneen ainoa vaikutus on lämmön Q 1 siirtäminen kylmemmästä lämpövarannosta kuumempaan. Tämä rikkoo Clausiuksen muotoilua toisesta pääsäännöstä!

Arthur Eddingtonin miete If someone points out to you that your pet theory of the universe is in disagreement with Maxwell s equations then so much the worse for Maxwell's equations. If it is found to be contradicted by observation well, these experimentalists do bungle things sometimes. But if your theory is found to be against the second law of thermodynamics I can give you no hope; there is nothing for it but to collapse in deepest humiliation.

Stirlingin kone

Stirlingin kone (1816) Lämpövoimakone, jossa kaasua (esim. ilma) puristetaan ja laajennetaan kierrossa Käyttöaine pysyy samana syklistä toiseen (vrt. esim. polttomoottorit) + Mahdollista saavuttaa korkea hyötysuhde + Mikä tahansa ulkoinen lämmön lähde käy + Hiljainen

Stirlingin kone 3) lämmitys ja laajeneminen 2) siirto kuumaan päähän regeneraattori (kts moniste) 1) jäähtyminen ja puristus 4) siirto kylmään päähän http://www.animatedengines.com/vstirling.html

Ideaalinen Stirlingin kiertoprosessi 2) isokoorinen lämmitys 3) isoterminen laajeneminen 4) isokoorinen jäähdytys 1) isoterminen puristus

Esimerkkejä sovelluksista Stirling-moottorivene

Stirlingin koneen tarkastelu Määritetään siirtyneet lämmöt, tehty työ ja hyötysuhde ideaaliselle Stirlingin koneelle Kts. moniste

Carnot n kone

Sadi Carnot (1796-1832)

Carnot n teoreema 1. Tehokkain mahdollinen kone toimii kiertokoneena kahden lämpövarannon välillä 2. Kierron tulee olla palautuva... 3.... ja tällöin konetta voi ajaa myös vastakkaiseen suuntaan Millään kahden lämpövarannon välillä toimivalla koneella ei voi olla suurempi hyötysuhde kuin samojen lämpövarantojen välillä toimivalla Carnot n koneella

Carnot n kone Käsitellään taululla Carnot n teoreema, absoluutteisen lämpötilan johtaminen sekä ideaalikaasua käyttävä Carnot n kone

Muita lämpövoimakoneita

Käänteiset lämpövoimakoneet

Jääkaappi Tehokerroin Carnot n jääkaapille Missä olosuhteissa jääkaappi toimii energiatehokkaimmin (paras tehokerroin)?

Lämpöpumppu Tehokerroin Carnot n lämpöpumpulle

Otto-moottori (1876) Nelitahtimoottori 1. Imutahti: työaine imetään sylinteriin 2. Puristustahti: mäntä liikkuu ylöspäin ja puristaa työainetta. Lopuksi käyttöaine sytytetään palamaan kipinän avulla Nicolaus Otto 3. Työtahti: laajeneva käyttöaine työntää mäntää alaspäin 4. Poistotahti: mäntä liikkuu ylöspäin ja työntää palaneen käyttöaineen (pakokaasu) ulos sylinteristä Ideaalisen ottosyklin tarkastelu laskuharjoituksissa

Diesel-moottori (1893) Polttoaineseos syttyy itsestään puristuksen (2-3) nostaessa kaasun lämpötilaa (vrt. Otto-sykli) Rudolf Diesel Ideaalinen Diesel-sykli http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/diesel.html