ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 9 /

Samankaltaiset tiedostot
Lämpöopin pääsäännöt. 0. pääsääntö. I pääsääntö. II pääsääntö

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

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

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

1 Clausiuksen epäyhtälö

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

Clausiuksen epäyhtälö

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

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

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

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

Luku 8 EXERGIA: TYÖPOTENTIAALIN MITTA

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

Lämpöopin pääsäännöt

VIII KIERTOPROSESSIT JA TERMODYNAAMISET KONEET 196

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

Luku 6 TERMODYNAMIIKAN TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt

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

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

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

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

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

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

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

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

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

1. Kumpi painaa enemmän normaalipaineessa: 1m2 80 C ilmaa vai 1m2 0 C ilmaa?

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

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

2. Termodynamiikan perusteet

Luku Pääsääntö (The Second Law)

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

Palautus yhtenä tiedostona PDF-muodossa viimeistään torstaina

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Termodynamiikan toinen pääsääntö (Second Law of Thermodynamics)

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

YLEISTIETOA LÄMPÖPUMPUISTA

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka. Emppu Salonen

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

FY9 Fysiikan kokonaiskuva

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

DEE Kryogeniikka

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

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

Työ 3: Veden höyrystymislämmön määritys

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Kemiallinen reaktio

Termodynaamiset syklit Todelliset tehosyklit

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

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

6-1 Hyötysuhde ja tehokerroin

Valitse seuraavista joko tehtävä 1 tai 2

f) p, v -piirros 2. V3likoe klo

Tämän päivän ohjelma: ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 1 /

Termodynamiikan toinen pääsääntö

Lämpöpumpputekniikkaa Tallinna

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

Ensimmäinen induktioperiaate

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Ensimmäinen induktioperiaate

TERMODYNAMIIKAN KURSSIN FYS 2 KURS- SIKOKEEN RATKAISUT

Energian varastointi ja uudet energialähteet

JAAKKO JÄGERROOS TRAKTORIEN OLOSUHDETESTAUKSEEN TARKOITETUN TES- TIHUONEEN ENERGIATEKNINEN SUUNNITTELU. Diplomityö

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

Approbatur 3, demo 1, ratkaisut A sanoo: Vähintään yksi meistä on retku. Tehtävänä on päätellä, mitä tyyppiä A ja B ovat.

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Mekaaninen energia. Energian säilymislaki Työ, teho, hyötysuhde Mekaaninen energia Sisäenergia Lämpö = siirtyvää energiaa. Suppea energian määritelmä:

Varsinais-Suomen Lämpökuvaus

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

kuonasula metallisula Avoin Suljettu Eristetty S / Korkealämpötilakemia Termodynamiikan peruskäsitteitä

Ajan, paikan ja laadun merkitys ylijäämäenergioiden hyödyntämisessä. Samuli Rinne

2. Termodynamiikan perusteet

EWA Solar aurinkokeräin

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

Ikiliikkujat. Onko mikään mahdotonta? Näitä on yritetty tai ainakin tutkittu

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Lämmityskustannus vuodessa

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

ENGINEERING ADVANTAGE

Mikrotason kuvailu lukion lämpöopin opetuksessa

TRV Nordic. Termostaattianturit Pohjoismainen muotoilu

Vastaus 1. Lasketaan joukkojen alkiot, ja todetaan, että niitä on 3 molemmissa.

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

Biofysiikka Luento Entropia, lämpötila ja vapaa energia. Shannonin entropia. Boltzmannin entropia. Lämpötila. Vapaa energia.

Tehtävä 3: Ongelmanratkaisutehtävä

6. Entropia, lämpötila ja vapaa energia

Oletetaan kaasu ideaalikaasuksi ja sovelletaan Daltonin lakia. Kumpikin seoksen kaasu toteuttaa erikseen ideaalikaasun tilanyhtälön:

Miten perustella, että joukossa A = {a, b, c} on yhtä monta alkiota kuin joukossa B = {d, e, f }?

SÄHKÖENERGIATEKNIIIKKA. Harjoitus - luento 6. Tehtävä 1.

ENERGIATEHOKAS KARJATALOUS

Pynnönen SIVU 1 KURSSI: Opiskelija Tark. Arvio

1. Universaaleja laskennan malleja

Jäähdytysjärjestelmän tehtävä on poistaa lämpöä jäähdytyskohteista.

Transkriptio:

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 9 / 14.11.2016 v. 03 / T. Paloposki Tämän päivän ohjelma: Vielä vähän entropiasta... Termodynamiikan 2. pääsääntö Entropian rooli 2. pääsäännön yhteydessä Lämpövoimaprosessit ja lämpövoimakoneet 1

Termodynamiikan 2. pääsääntö Verbaalinen muotoilu: Tapahtumilla on luonnollinen suunta, joka on kohti entropian kasvamista. Tämä tarkoittaa mm. sitä, että luonnossa esiintyvät lämpötilaerot pyrkivät tasoittumaan. Termodynamiikan 2. pääsääntö Miten voimme todistaa, että termodynamiikan 2. pääsääntö on totta? Vastaus: emme mitenkään. Aivan kuten termodynamiikan 1. pääsääntökin, myös 2. pääsääntö on aksiooma eli etukäteen valittu ja todeksi oletettu lausuma. Ja kuten tilanne on myös 1. pääsäännön kanssa, kukaan ei ole tähän mennessä vielä koskaan kiistattomasti havainnut mitään sellaista, mikä olisi ristiriidassa 2. pääsäännön kanssa. 2

11/14/2016 Vaihtoehtoiset muotoilut Termodynamiikan 2. pääsääntö voidaan esittää lukuisilla vaihtoehtoisilla tavoilla. - Clausiuksen muotoilu - Kelvinin muotoilu - jne. Nämäkin muotoilut esitetään usein varsin erilaisilla sanakäänteillä. Lämpövaraston käsite T = T1 Lämpövarasto on jokin sellainen asia (laite, esine, tms.), josta voidaan ottaa energiaa lämmön muodossa tai johon voidaan tuoda energiaa lämmön muodossa ilman että ko. lämpövaraston lämpötila käytännössä muuttuu. Esimerkkejä lämpövarastoista: ilmakehä, meri 3

Clausiuksen muotoilu Ei voi olla sellaista prosessia, jossa ei tapahdu mitään muuta kuin että lämpöä siirtyy alemmalta lämpötilatasolta T 1 ylemmälle lämpötilatasolle T 2. (Käytännössä tällainen lämmönsiirtoprosessi on mahdollinen, jos ympäristö tekee systeemiin työtä. Näin toimivat esim. jääkaappi ja lämpöpumppu.) Kelvinin muotoilu Ei voi olla sellaista prosessia, jossa systeemi ottaa vastaan lämpöä ja muuttaa sen kokonaisuudessaan työksi. (Tällainen laite olisi ns. toisen lajin ikiliikkuja, ja se on yhtä mahdoton kuin tyhjästä energiaa tuottava 1. lajin ikiliikkuja.) 4

Vertailu Clausiuksen muotoilu ja Kelvinin muotoilu ovat ekvivalentteja. Clausius <=> Kelvin Ne voidaan siis johtaa toisistaan. Reitti Clausius Kelvin Oletetaan, että Clausiuksen muotoilu ei ole totta. On siis olemassa prosessi, joka siirtää lämpöä alemmalta lämpötilatasolta korkeammalle lämpötilatasolle ilman, että mitään muuta tapahtuu. 5

Reitti Clausius Kelvin Lisätään systeemiin lämpövoimakone. Lämpövoimakone tuottaa työn W = Q 2 Q 1. Valitaan koneen koko niin, että lämpö, jonka kone luovuttaa kylmään lämpövarastoon, on yhtä suuri kuin lämpö, joka siirtyy itsekseen kylmästä lämpövarastosta kuumaan lämpövarastoon. (Ko. lämpövoimakoneen ei tarvitse olla mitenkään ideaalinen.) Reitti Clausius Kelvin Lopputulos on, että on rakennettu 2. lajin ikiliikkuja. Jos siis Clausiuksen muotoilu ei ole totta, ei myöskään Kelvinin muotoilu ole totta. (Tässä kylmän lämpövaraston saama nettolämpö = 0, eli kone muuttaa lämmön Q 3 kokonaan työksi.) 6

Reitti Kelvin Clausius Oletetaan, että Kelvinin muotoilu ei ole totta. On siis olemassa prosessi, joka ottaa vastaan lämpöä ja muuntaa sen kokonaisuudessaan työksi. Reitti Kelvin Clausius Lisätään systeemiin lämpöpumppu. Lämpöpumppu ottaa systeemin tekemän työn W ja siirtää sen avulla lämpöä alhaisesta lämpötilasta T 1 korkeaan lämpötilaan T 2. (Ko. lämpöpumpun ei tarvitse olla mitenkään ideaalinen.) 7

Reitti Kelvin Clausius Lopputulos on, että lämpö Q 1 on siirtynyt kylmästä lämpövarastosta kuumaan lämpövarastoon ilman että mitään muuta on tapahtunut. Jos siis Kelvinin muotoilu ei ole totta, ei myöskään Clausiuksen muotoilu ole totta. Carnot-prosessi Jos ei ole mahdollista rakentaa konetta, joka muuttaa kaiken ottamansa lämmön työksi, kuinka paljon voimme sitten muuttaa työksi? Eli mikä olisi koneen hyötysuhde η = W/Q 2? 8

Oletetaan, että kuvassa harmaalla esitetty systeemi (kone) suorittaa kiertoprosessia eli palaa jaksollisesti takaisin alkutilaansa. (Muussa tapauksessa lämpö Q 1 voisi varastoitua itse systeemiin. Tällöin voisi näyttää siltä, että systeemi toimii ristiriidassa Kelvinin muotoilun kanssa. Oikeasti Kelvinin muotoilu on edelleen totta, sillä tällöinkään lämpöä Q 2 ei olisi muutettu kokonaan työksi.) Tarkastellaan tilannetta, kun kone on käynyt yhden täyden kierroksen eli on juuri palannut takaisin alkutilaansa. Q 2 = lämpö, jonka kuuma lämpövarasto luovuttaa koneelle yhden kierroksen aikana. W = työ, joka koneesta saadaan yhden kierroksen aikana. Q 1 = lämpö, jonka kone luovuttaa kylmään lämpövarastoon yhden kierroksen aikana. 9

Entropian muutokset koneen yhden kierroksen aikana Kuuma lämpövarasto: = Systeemi: syst =0 Kylmä lämpövarasto: = Jotta kok = 1 + 2 + syst 0, pitää olla: + 0 10

11/14/2016 1. pääsääntö: = + Prosessin hyötysuhde: = = =1 1 Tässäpä kaikki tällä kertaa 11