Post on 19-Jan-2016
description
THERMODYNAMICA
Hoofdstuk 1 + 2
ing. Patrick Pilat
lic. Dirk Willem
Algemene begrippen
Belang van thermodynamica:
- CV- Menselijk lichaam (comforteisen)- Verbrandingsmotoren, turbines …- Huishoudtoestellen (frigo, dvd-speler,
pc …)- Ontwerpen van machines
(afmetingen, materiaal, T …)
- …
• Inleiding
ThermodynamicaThermodynamica energie-wisseling
energieoverdracht
Energiebron nuttige energie
• Inleiding
brandstof
zonwind (kin.energ.)
Waterenergie (pot. energ.)Nucleaire
energie
elektriciteit
mechanische beweging
warmte
ThermodynamicaEnkele voorbeelden van energieomzettingen
1. Waterkrachtcentrale: potentiële energie watermassa → waterturbine → elek. en.
• Inleiding
ThermodynamicaEnkele voorbeelden van energieomzettingen
2. Klassieke thermische centrale: verbrandingswarmte → water naar stoom →
stoomturbine→ elektrische energie
• Inleiding
ThermodynamicaEnkele voorbeelden van energieomzettingen
3. Kerncentrale: nucleaire energie → warmte → stoomproductie →
elek. en.
• Inleiding
ThermodynamicaEnkele voorbeelden van energieomzettingen
4. Windmolen: kin. energie wind → elektrische energie
• Inleiding
ThermodynamicaEnkele voorbeelden van energieomzettingen
5. Zonnecentrale: zonne-energie→ elektrische energie
• Inleiding
Planta Solar 10, Sanlucar la Mayor, Spanje: 11 MW
Algemene begrippen
Stelsel Omgeving begrenzing
• Inleiding
• begrippen
gas
T, p …
Beïnvloeden elkaar
Algemene begrippen
Open en gesloten systeem
• Inleiding
• begrippen
energietransportmassatransport
GESLOTEN
systeem
OPEN
systeem
Algemene begrippen
Open en gesloten systeem
• Inleiding
• begrippen
Potentiële energie kinetische energie
Algemene begrippen
Energie ? capaciteit om arbeid te verrichten
BEHOUD VAN ENERGIE (1ste Hoofdwet v/d
thermodynamica)
energie in een stelsel kan op ≠ manieren opgeslagen worden
• Inleiding
• begrippen
transformeren
transporteren
Arbeid en/of warmte
Algemene begrippen
Energie ?
Energie transformeren
• Inleiding
• begrippen
Epot
Ekin
Epot
Algemene begrippen
Energie ?
Energie transformeren transporteren
• Inleiding
• begrippen
Epot
Ekin
Epot
Wrijving
Warmte naar omgeving
Epot
Algemene begrippen
Energie ?
Energiebezit macroscopische energie microscopische energie
(niet zichtbaar)
Etot = Ekin + Epot + U[kJ of J]
• Inleiding
• begrippen
Algemene begrippen
Energie ?
Energiebezit macroscopische energie microscopische energie
(niet zichtbaar)
etot = ekin + epot + u etot = Etot / m
[kJ/kg of J/kg]
• Inleiding
• begrippen
Algemene begrippen
Energie ?
Energiebezit macroscopische energie microscopische energie (niet
zichtbaar)
= inwendige energievb’n ∆U: - verwarmen van een
voorwerp
- samendrukken van een gas
• Inleiding
• begrippen
Algemene begrippen
Energie ?
EnergiebezitEnergietransport WARMTE
• Inleiding
• begrippen
Algemene begrippen
Energie ?
EnergiebezitEnergietransport WARMTE (Q of q)
• Inleiding
• begrippen
uitwisseling t.g.v. T
Men kan nooit zeggen dat een systeem een hoeveelheid warmte bezit systeem bezit een hoeveelheid energie die men kan overdragen in de vorm van warmte
Toestandsverandering adiabatisch (Q = 0) isothermisch (T = cte)
Algemene begrippen
Energie ?
EnergiebezitEnergietransport WARMTE Q (in J) q = Q / m (in J/kg)
(in W of kW)
• Inleiding
• begrippen
stelsel
Q+ Q-
Δt
Algemene begrippen
Energie ?
EnergiebezitEnergietransport WARMTE (Q of q)
ARBEID (W)elektrische arbeid: We = U.I.T
mechanische arbeid: W = ∫ F.dsarbeid van een veer: Wveer = ½ . k. (x2² - x1²)Volumearbeid: WV = afh. van
toestandsverandering
• Inleiding
• begrippen
Algemene begrippenEnergie ?
EnergiebezitEnergietransport WARMTE (Q of q)
ARBEID (W)
• Inleiding
• begrippen
(in W)Δt
WWP :vermogen
J/kg)in m
Ww
.
(
Algemene begrippen
Energie ?
EnergiebezitEnergietransport WARMTE (Q of q)
ARBEID (W)
• Inleiding
• begrippen
stelsel
W-W+
Q en W zijn energie-interacties tussen stelsel en omgeving.
Stelsel kan energie bezitten maar GEEN Q en/of W
Toestand van stelsels
Toestandsgrootheden: waarnemingen op macroscopische verschijnselen
zijn meetbaar (m, V, T, p)
Twee soorten toestandsgrootheden:
Intensieve toestandsgrootheid: onafhankelijk van de grootte van het stelsel (p, T, u, …)
Extensieve toestandsgrootheid: afhankelijk van de grootte van het stelsel (V, U, …)
• Inleiding
• begrippen
• Toestand van stelsels
Toestand van stelsels
Toestand van een stelsel:= toestandsgrootheden hebben een welbepaalde waarde
stabiele toestand (evenwichtstoestand) onstabiele toestand
Toestandsverandering:wijziging van 1 of meerdere toestandsgrootheden
• Inleiding
• begrippen
• Toestand van stelsels
Algemene begrippen
Toestandsverandering:
• Inleiding
• begrippen
• Toestand van stelsels
m = 2 kg°t1 = 20°C V1 = 1,5
m³
m = 2 kg°t1 = 20°C V1 = 2,5
m³
Algemene begrippen
Bijzondere toestandsverandering:T = cte (isotherme toestandsverandering)
P = cte (isobare toestandsverandering)
V = cte (isochore toestandsverandering)
Q = 0 (adiabatische toestandsverandering)
! Isotherm niet verwarren met adiabaat !
• Inleiding
• begrippen
• Toestand van stelsels
Algemene begrippen
Evenwichtige of quasi-statische toestandsverandering
Begintoestand
eindtoestand
• Inleiding
• begrippen
• Toestand van stelsels
Niet in evenwicht
evenwicht
evenwicht
toestandsverandering
Algemene begrippen
Voorbeeld
• Inleiding
• begrippen
• Toestand van stelsels massa
toestand 1 toestand 2
Algemene begrippen
Voorbeeld
• Inleiding
• begrippen
• Toestand van stelsels
p
V
1
2
1 en 2 zijn evenwichtstoestanden
niet evenwichtige toestandsverandering
Algemene begrippenVoorbeeld
• Inleiding
• begrippen
• Toestand van stelsels
p
V
1
2
evenwichtige toestandsverandering
Algemene begrippen
Reversibele toestandsveranderingen
= omkeerbare toestandsverandering die evenwichtig verloopt
voorwaarden: evenwichtig + wrijvingsloos
perfect omkeerbare toestandsverandering (wrijvingsloos)= praktisch nooit mogelijk
• Inleiding
• begrippen
• Toestand van stelsels
Algemene begrippen
Geïsoleerd stelsel= geïsoleerd van invloeden van de omgeving (Q = 0, W = 0)
toestandsverandering door onevenwicht
≠ thermisch geïsoleerd stelsel (Q = 0)
• Inleiding
• begrippen
• Toestand van stelsels
Algemene begrippenSoortelijke warmte
= hoeveelheid energie om 1kg van een stof 1°C te laten ↑
c = afh. van T en p
• Inleiding
• begrippen
• Toestand van stelsels J/(kg.K))in (
dTm
dQc
2
1
t
t
dTcmQdTcmdQ TcmQ :const c als
2
1
t
t
dTcqdTcdq Tcq :const c als
Algemene begrippenSoortelijke warmte
= hoeveelheid energie om 1kg van een stof 1°C te laten ↑
c = afh. van T en p
afh. van de soort warmtetoevoer cp of cv
• Inleiding
• begrippen
• Toestand van stelsels
Bij cte p wordt W geleverd cp > cv
J/(kg.K))in (dTm
dQc
Algemene begrippen
Ideale gassen
voor alle gassen met voldoende lage eenvoudig verband tussen p, v en T ideale gassen (specifieke voorwaarden)
Toestandsverandering eenvoudig verband:
p . V = n.Ru.T (Ru : universele gasconstante)
stelsel met m kg ideaal gas
p . V = (m/M).Ru.T (M: molaire massa)
p. V = m.R.T (R = Ru/M: specifieke gasconstante)
• Inleiding
• begrippen
• Toestand van stelsels
Algemene begrippen
Ideale gassen
stelsel met m kg ideaal gas
p. V = m.R.T (R : specifieke gasconstante)
specifiek volume: v = V/m (in m³/kg)
p. v = R.T
• Inleiding
• begrippen
• Toestand van stelsels
Algemene begrippen
Oefeningen:
Hoe lang duurt het om 1 liter water van 60°C door middel van
een waterkoker (1000W) te laten koken?
CH2O = 4,185 kJ/kg.K
• Inleiding
• begrippen
• Toestand van stelsels
Algemene begrippen
Oefeningen:
Wanneer je 50 liter water van 40°C mengt met 150 liter water
van 80°C. Wat is dan de temperatuur van het gemengd water?
• Inleiding
• begrippen
• Toestand van stelsels
Algemene begrippen
Oefeningen:
We koelen een stalen blok (3 kg) van 650°C in een oliebad
(100kg, 10°C) af. De temperatuur van de olie stijgt met 6°C.
Cstaal = 0,5 kJ/kg.K
Colie?
• Inleiding
• begrippen
• Toestand van stelsels
Algemene begrippen
Oefeningen:
Een compressor zuigt lucht aan op een druk gelijk aan 1 atm.Tijdens de compressie van de aangezogen lucht blijft detemperatuur 27°C, maar het volume wordt 5X kleiner. Wat is het einddruk van de lucht en hoeveel duidt de manometer
aan van de compressor.(opl. 4,052 bar)
• Inleiding
• begrippen
• Toestand van stelsels