090910 termo fl6

January 9, 2018 | Author: Anonymous | Category: Vetenskap, Fysik, Termodynamik
Share Embed Donate


Short Description

Download 090910 termo fl6...

Description

Termodynamik FL6 TERMODYNAMIKENS 2:A HUVUDSATS

INTRODUCTION Värme överförd till en tråd genererar ingen elektricitet.

En kopp varmt kaffe blir inte varmare i ett kallt rum.

Dessa processer kan inte ske, även om de inte strider mot 1:a huvudsatsen.

Processer sker i en viss riktning, och inte i motsatt riktning. En process måste uppfylla både 1:a och 2:a huvudsatsen för att kunna ske.

TERMISKA RESERVOARER

En termisk energikälla tillför värme. En termisk sänka absorberar värme.



En termisk energireservoar är en hypotetisk kropp med hög värmekapacitet (massa x specifik värmekapacitet) som kan tillföra eller absorbera relativt stora mängder värme utan att ändra sin temperatur.



Exempel: • stora vattenvolymer, som oceaner och sjöar. • atmosfären

1

arbete ► värme värme ► arbete ?

Arbete kan alltid omvandlas direkt och fullständigt till värme, men motsatsen är inte sant. För att omvandla värme till arbete behövs en speciell maskin: en värmemaskin.

VÄRMEMASKIN En VÄRMEMASKIN omvandlar värme till arbete. 1. Den får värme från en hög temp. källa (T=TH). 2. Den omvandlar en del av värmen till arbete (t.ex. rotation av en axel.) 3. Den deponerar överskottsvärmen till en lågtemp energisänka (T=TL). 4. Den fungerar i en kretsprocess.

Värmemaskiner och kylmaskiner har oftast en fluid som går runt i en kretsprocess och tar upp och avger värme: “working fluid”.

Exempel: Ångkraftsverk Qin: värme tillfört till ångan från hög-temp energikällan. Qout: värme som ångan avger till låg-temp energisänkan. Wout: arbete utfört av ångan när den expanderar i turbinen. Win: arbete som krävs för att komprimera vattnet till trycket i kokaren.

2

Ångkraftsverk En del av arbetet som värmemaskinen avger konsumeras internt för att upprätthålla en kontinuerlig operation.

Komponenterna involverar massflöde in och ut: öppna system. Komponenterna tillsammans i krets: slutet system.

Slutet kretssystem: ∆U=0 ► W net = Qnet

Termisk verkningsgrad

Definiera: QH (>0) = mängden värme överförd mellan den cykliska värmemaskinen och hög-T källan vid temp TH. QL (>0) = mängden värme överförd mellan den cykliska värmemaskinen och låg-T sänkan vid temp TL.

Bensinmotor : ηth~25% Dieselmotor : ηth~40% högefficient värmemaskin ηth~60%

spillvärmen Qout Kan vi ta bort kondensatorn ur kretsen och spara spillvärmen? Utan kondensatorsteget där värme förs bort till energisänkan, skulle inte kretsen vara fullständig.

En del av tillförda värmen behövs för att värma upp gasen.

Varje värmemaskin måste ha en del spillvärme som överförs till låg-T reservoaren för att kretsprocessen skall kunna vara kontinuerlig, även under idealiserade omständigheter.

3

Exempel Ex. 7.2



En bilmotor med effekt 65 hp har en termisk verkningsgrad av 24%. Bestäm hastigheten för bränsleåtgången om bränslen har ett ”värmningsvärde” på 44000 kJ/kg (dvs att 44000 kJ energi frisätts för varje kg bränsle som bränns.)

Q& H =

W&net ,out

=

η th

65hp 0,75kW = 202kW 0,24 hp

För att leverera värme med denna hastighet måste bränslen förbrännas med hastighet:

m& =

Q& H 44000 kJ

= 16,5 kg kg

h

Termodynamikens 2:a huvudsats: Kelvin–Planck uttrycket Det är omöjligt för en värmemaskin att producera netto arbete om den i en kretsprocess endast tar emot värme från en termisk reservoar.

Ingen värmemaskin kan ha 100% termisk verkningsgrad. Denna begränsning är inte pga friktion eller annan spilleffekt. Denna begränsning gäller både idealiserade och verkliga värmemaskiner.

Detta är en värmemaskin som strider mot Kelvin–Planck uttrycket av 2:a HS.

TILLÄMPNING: KYLMASKINER OCH VÄRMEPUMPAR För att överföra värme från ett lågtemp medium till ett hög-temp medium krävs speciella maskiner: kylskåp eller värmepumpar.

1) Kylskåp:

Kylskåp och värmepumpar är kretsprocesser (cykler).

4

Kylskåpets effektivitet uttrycks i termer av en köldfaktor ε (coefficient of performance, COPR). Eftersom köldfaktorn kan vara >1 undviker man uttrycket verkningsgrad. Kylskåpets syfte är att föra bort värme QL från den kylda delen.

luftkonditionering?

2) Värmepumpar Värmepumpens effektivitet uttrycks i termer av en värmefaktor εV (coefficient of performance, COPHP). Värmepumpens syfte är att leverera värme QH till det varma området (rummet).

COP ~ 2 to 3 (air-source värmepump) COP ~ 4 (geothermal , ground-source värmepump)

För fasta värden QL och QH

Termodynamikens 2:a huvudsats: Clausius uttrycket Det är omöjligt att konstruera en maskin som har en kretsprocess och vars enda aktivitet är värmeöverföring från ett kallt område till ett varmt.

Dvs att ett kylskåp inte kan fungera utan att hans kompressor är driven med extern effekt, t.ex. en elektrisk motor. Netto effekten på omgivningen är att, förutom värmeöverföringen från en kallare till en varmare kropp, en del av energin måsta konsumeras som arbete. Ett kylskåp som strider mot Clausius uttryck för 2:a HS

5

Uttrycken är ekvivalenta

inKelv k c Plan

Cla us

ius

Kelvin–Planck och Clausius uttrycken har samma konsekvenser. Var och en av dem kan användas som ett uttryck för 2:a HS. Varje maskin som violerar Kelvin–Planck violerar också Clausius och vice versa.

EVIGHETSMASKINER EN EVIGHETSMASKIN: en maskin som violerar TDs 1:a eller 2:a huvudsats. • 1:a HS (genom att “skapa energi”): PMM1. • 2:a HS : PMM2. Trots många försök finns det ingen fungerande evighetsmaskin.

A perpetual-motion machine that violates the second law of thermodynamics (PMM2). A perpetual-motion machine that violates the first law (PMM1).

REVERSIBLA och IRREVERSIBLA PROCESSER Reversibel process: en process som kan omvändas (reverse) utan att det påverkar omgivningen. Irreversibel process: en process som inte är reversibel. • • •



Alla processer som sker i naturen är irreversibla. några processer är mer irreversibla än andra. Varför är vi intresserade av reversibla processer? (1) de är enkla att analysera (2) de är idealmodeller (teoretiska limiter) för de verkliga processerna. Vi försöker approximera de reversibla processerna.

Reversibla processer levererar mest och kräver minst arbete. Två reversibla processer

6

Irreversibiliteter • •



Irreversibilitet: en faktor som gör att en process blir irreversibel.. Exempel: • friction, • unrestrained expansion, • mixing of two fluids, • heat transfer across a finite temperature difference, • electric resistance, • inelastic deformation of solids, and • chemical reactions. När någon av dessa faktorer finns blir processen irreversibel.

Exempel: Heat transfer through a temperature difference is irreversible. The reverse process is impossible.

Internt och Externt Reversibla Processer • • • •

Internt reversibel process: Inga irreversibiliteter sker inom systemets gränser under processen. Externt reversibel process: Inga irreversibiliteter sker utanför systemets gränser under processen. Totalt reversibel process: Inga irreversibiliteter, varken inom systemet eller dess omgivning. En totalt reversibel process har ingen värmeöverföring, ingen förändringar långt ifrån jämvikt, ingen friktion eller annan energispill.

CARNOTCYKELN 1

en reversibel cykel

2 Isoterm expansion

adiabatisk kompression (Q=0) 4

adiabatisk expansion (Q=0)

Isoterm kompression 3

Reversibel Isotermisk Expansion (process 1-2, T=TH = konstant) Reversibel Adiabatisk Expansion (process 2-3, temperatur minskar från TH till TL) Reversibel Isotermisk Kompression (process 3-4, T=TL = konstant) Reversibel Adiabatisk Kompression (process 4-1, temperatur ökar från TL till TH)

7

Carnot värmemaskinen är en totalt reversibel cykel. Alla processer är därför också omvändbara. En omvänd Carnotcykel är en Carnotkylcykel.

P-V diagram för Carnotcykeln.

P-V diagram för omvända Carnocykeln.

CARNOTPRINCIPER 1. En irreversibel värmemaskins verkningsgrad är alltid lägre än en reversibel värmemaskin mellan samma två termiska reservoarer. 2. Verkningsgraden för alla reversibla värmemaskiner som fungerar mellan samma två reservoarer är samma.

CARNOT VÄRMEMASKIN En Carnot värmemaskin är den mest effektiva värmemaskinen som fungerar mellan samma två termiska reservoarer.

värmemaskin

Carnot värmemaskin

8

Termiska energins kvalitet Carnotvärmemaskinens termiska verkningsgrad:

Den högst nåbara termiska verkningsgrad för en värmemaskin varierar med TH när TL är konstant. Ju högre temperatur termisk energi har desto större andel kan omvandlas till arbete (högre kvalitet):

Energi är alltid bevarad. Energikvalitet är inte bevarad. ”Energiförlust” betyder oftast att energin omvandlas till en mindre användbar energiform.

CARNOTKYLSKÅP ELLER VÄRMEPUMP Any refrigerator or heat pump

Carnot refrigerator or heat pump

De högst nåbara COP-värden!

COP minskar för båda med dalande TL.

Summary • • • • • • • • • • •

Introduction to the second law Thermal energy reservoirs Heat engines – Thermal efficiency – The 2nd law: Kelvin-Planck statement Refrigerators and heat pumps – Coefficient of performance (COP) – The 2nd law: Clausius statement Perpetual motion machines Reversible and irreversible processes – Irreversibilities, Internally and externally reversible processes The Carnot cycle – The reversed Carnot cycle The Carnot principles The thermodynamic temperature scale The Carnot heat engine – The quality of energy The Carnot refrigerator and heat pump

9

View more...

Comments

Copyright � 2017 NANOPDF Inc.
SUPPORT NANOPDF