Teknisk termodynamik 5 hp. Välkomna till teknisk termodynamik!

Transkript

1 Teknisk termodynamik 5 hp Välkomna till teknisk termodynamik! Cecilia Gustavsson Ralph Scheicher Federico Binda Iulia Brumboiu Emil Melander föreläsningar, räkneövningar räkneövningar räkneövningar, Matlab Matlab laborationer, Matlab

2 Kursupplägg 11 föreläsningar 9 räkneövningar Laboration + presentation i seminarieform Matlab-inlämningsuppgifter, obligatoriska Studiebesök till Uppsala Värme (Vattenfall) Teknisk termodynamik 5 hp

3 Teknisk termodynamik 5 hp Examination Labkurs, en laboration -> muntlig redovisning i seminarieform Betyg på laborationen/redovisningen: G eller U. Underkänt på redovisningen -> komplettering i form av skriftlig rapport. Matlabuppgifter -> 3 obligatoriska Betyg: G eller U För godkänt: fungerande matlabscript innan deadline. Obligatorisk skriftlig tentamen 12 mars för betyg 3 Kursbok + PH. Frivillig muntlig examination för betyg 4 eller 5 Med Cecilia Gustavsson eller Matthias Weiszflog (lärare för ES).

4 Teknisk termodynamik 5 hp

5 Teknisk termodynamik 5 hp Kursbok: Cengel & Boles:Thermodynamics: an engineering approach, 7. ed in SI Units, McGraw-Hill Kursmål: Efter godkänd kurs skall studenten kunna: Beskriva och tillämpa begreppen arbete, värme, inre energi, entropi, temperatur, termodynamiska observabler. Beskriva och tillämpa termodynamikens empiriska huvudsatser och tillståndsbeskrivnigar. Använda makroskopiska observabler och experimentella data i tekniska sammanhang. Beskriva utformningen av vanliga värmetekniska maskiner. Analysera kretsprocessers teoretiska funktion och använda dem i praktiska tillämpningar. Beräkna verkningsgrader för värmemotorer och värmepumpar Beräkna värmeledning och värmestrålning i olika geometrier. Genomföra grundläggande värmetekniska beräkningar i Matlab.

6 Teknisk termodynamik 5 hp Kursens innehåll: Energiöverföring och energianalys av öppna och slutna system. Rena substanser och fasövergångar samt hur dessa beskrivs genom relationer mellan tillståndsvariabler. Tillståndsekvationer inklusive ideala gaslagen, tillståndsdiagram och tillståndstabeller samt hur dessa används i beräkningar för olika tillämpningar. Användning av tekniska diagram som Mollier- och Tsdiagram. Klassisk kinetisk gasteori. Maxwells hastighetsfördelning. Specifik värme. Värmeledning i olika geometrier, konvektion, värmestrålning. Stefan-Boltzmanns och Wiens lagar. Termodynamikens huvudsatser och deras betydelser. Carnotcykeln för värmemotor och värmepump/kylmaskin. Kretsprocessers verkningsgrad. Tekniskt arbete. Begreppet entropi utifrån kretsprocesser och Boltzmanns entropiformel. Kolvmaskiner och gascykler, inklusive Otto,- Diesel-, och Braytoncykeln. Ideala ångcykler (Rankinecykeln) med värmeväxlare, ånggenerator, turbin och kondensor. Isentropa processer och isentrop verkningsgrad samt hur man räknar på detta i tekniska sammanhang. Framtagning av observabler ur tillståndsekvationer genom omskrivning och integrering av partiella derivator. Maxwells relationer. Studiebesök till värmeteknisk anläggning.

7 Teknisk termodynamik 5 hp Några kommentarer från kursvärderingen 2012 Mer helhet, mindre typräkning/tabellstudie! Och skippa boken på tenta, blir tyvärr för lätt. Entropibegreppet borde få mer litteratur och ägnas mer tid. Jag tror man kan utveckla labbkonceptet och seminariet efteråt. Över lag tycker jag att det var en välplanerad och genomtänkt kurs! Lektionerna var bland de bästa jag haft. Kul med klickers (Bitvis för svåra frågor). Kan tycka att upplägget för MATLABuppgifterna kanske kan ändras lite. Då uppgifterna motsvarar uppgifter på tentan blir det lite konstigt om rena MATLABfel ger poängavdrag då detta inte är möjligt sedan på tentan. Det enda jag tycker borde förändras är de matlabuppgifter som ger bonuspoäng på tentan Jag skulle vilja haft mindre cykler och mer om värmeövergångar. Hela kursvärderingen från 2012 finns på Studentportalen

8 Teknisk termodynamik 5 hp Förändringar sedan kursen 2012 Inga bonuspäng för MATLAB-uppgifter; färre men obligatoriska. Gemongång av laborationerna. Inte bara typtalstenta : Kort skriftlig tenta för betyg godkänt Muntlig examination för högre betyg Mer fokus på studentaktiva inslag.

9 Kursens huvudmoment: Teknisk termodynamik 5 hp Tryck, energi, värme, arbete Kap , Föreläsning 1 Räkneövning 1 Faser, entalpi, ideal gas Kap Föreläsning 2 Räkneövning 1 Energianalys av slutna system, kinetisk gasteori Kap 4 + extra extramaterial Föreläsning 3 Räkneövning 2 Energianalys av öppna system, Kap Föreläsning 4 Räkneövning 3 Termodynamikens 2:a lag Kap , Föreläsning 5 Räkneövning 4 Entropi, exergi och värmeledning Kap 7 (8) + extra , , 7.12, + extramaterial Föreläsning 6-7 Räkneövning 5 Ångcykler Kap Föreläsning 8 Räkneövning 6 Studiebesök till Uppsala Värme Kretsprocesser med gas Kap , 9.8 Föreläsning 9 Räkneövning 7 Kylcykler, tillståndsrelationer Kap , Föreläsning 10 Räkneövning 8 Repetition Föreläsning 11 Räkneövning 9

10 Högskolepedagogik En bild från, universitetet i Bologna, 1300-tal

11 Högskolepedagogik En bild från, universitetet i Bologna, 1300-tal

12 Högskolepedagogik Men det är inget fel på varken 1300-talets människor eller på oss. Vi fungerar som människor ska minuter är den tid man håller sig uppmärksam. Man glömmer det mesta man hör!

13 Högskolepedagogik Processes of learning: Attention, Activation of prior knowledge, Elaboration and rehearsal, and Encoding and retrieval (Clark, Nguyen, & Sweller, 2005)

14 Högskolepedagogik jag lär mig mest på föreläsningar och när läraren räknar exempel på tavlan!

15 Högskolepedagogik jag lär mig mest på föreläsningar och när läraren räknar exempel på tavlan! Studentaktiva inslag i undervisningen

16 Vad säger termodynamikens första huvudsats? A. Energi flödar alltid i en bestämd riktning. B. Energi är oförstörbar men kan omvandlas i olika former. C. Energi flödar från varmt till kallt. 0% 0% 0% A. B. C.

17 Kapitel 1 grundläggande begrepp Termodynamik: grekiska therme (energi, värme) och dynamis (kraft, effekt) vetenskapen om energi och värme Energi: fysikalisk storhet som kan orsaka förändringar, rörelse eller uträtta arbete! Energins bevarande: (termodynamikens första huvudsats). Energi är oförstörbar men kan omvandlas till andra former. Termodynamiken är en makrosopisk beskrivning av världen. Materia är ett kontinuum, atomära egenskaper bortses ifrån.

18 A. Energi B. Effekt C. Tid D. Entropi Vilken storhet har enheten kwh? 0% 0% 0% 0% Energi Effekt Tid Entropi

19 Kapitel 1 grundläggande begrepp Storheter och enheter Storhet Enhet Massa kg Tid s Längd m Kraft N = kg*m/s 2 Temperatur K Densitet kg/m 3 Energi J = Nm Effekt W = J/s Volym m 3 Hastighet m/s Tryck Pa = N/m 2 Energi 1 J = 1 Nm 1 kwh = 3.6 MJ Ofta används kj som grundenhet Effekt 1 W = 1 J/s Tryck 1 Pa (kpa) 1 bar = 10 5 Pa = 100 kpa 1 atm = bar = * 10 5 Pa

20 Kapitel 1 grundläggande begrepp

21 Vad händer när vi värmer systemet? A. Den rörliga systemgränser rör sig uppåt B. Den rörliga systemgränser rör sig nedåt C. Ingenting 0% 0% 0% A. B. C.

22 Kapitel 1 grundläggande begrepp Slutet system: kap 4 energi men ej massa kan röra sig över systemgränsen. Öppet system (kontrollvolym): kap 5 energi och massa kan röra sig över systemgränsen.

23 Kapitel 1 grundläggande begrepp Egenskaper (properties) karaktäriserar ett system Intensiva egenskaper: oberoende av systemets massa och volym t.ex. tryck (P), temperatur (T), densitet (ρ) Extensiva egenskaper: beror på systemets massa och volym t.ex. volym (V), energi (E) Specifika egenskaper: extensiv egenskap delat med massa blir en intensiv. Liten bokstav! specifik volym (volymitet): v = V/m [m 3 /kg] specifik energi e = E/m [kj/kg] OBS! v = 1/ ρ

24 Vilken intensiv egenskap är 1/densiteten? A. Volymitet B. Specifik massa C. Specifik densitet D. Specifik värmkapacitet 0% 0% 0% 0% Volymitet Specifik massa Specifik densitet Specifik värmkapacitet

25 Tillstånd och jämvikt Tillstånd beskrivs av egenskaper: Kapitel 1 grundläggande begrepp Jämvikt: balans; dvs inga potentialer eller drivkrafter i någon riktning. Termisk jämvikt (samma temperatur), fasjämvikt (t.ex. is-vatten), kemisk jämvikt (inga kemiska reaktioner) osv.

26 0:te huvudsatsen Kapitel 1 grundläggande begrepp

27 Kapitel 1 grundläggande begrepp Tillståndspostulatet Ett enkelt kompressibelt system är fullständigt känt om två oberoende intensiva storheter är kända Enkelt kompressibelt system: inga effekter av rörelser, magnetism, elektricitet, ytspänning mm.

28 Kapitel 1 grundläggande begrepp Processer och kretsar (cykler) Process: Förändring från ett jämviktstillstånd till ett annat. Väg: Den serie av tillstånd en system passerar under processen. Kvasi-statisk eller kvasi-jämviktsprocess: När processen fortgår på sådant sätt att systemet hela tiden är nära jämvikt. Krets (cykel): en process med samma start- och sluttillstånd.

29 Kapitel 1 grundläggande begrepp Tryck kraft per ytenhet, 1 Pa = 1 N/m 2 Absolut tryck P abs : verkliga trycket relativt vakuum Övertryck P gage : skillnad mellan absoluta trycket och lokala atmosfärstrycket. Ofta är tryckmätare kalibrerade att avläsa 0 i atmosfärstryck. Undertryck P vac : tryck under atmosfärstryck

30 Kapitel 1 grundläggande begrepp Tryckmätning med manometer Ofta flera olika oljor med olika densitet. P = F A = mg A = ρahg A = ρgh Trycket vid nedre strecket :

31 Kapitel 1 grundläggande begrepp Tryck verkar i alla riktningar vinkelrätt mot ytor!

32 Vad händer med lufttemperaturen i rummet? A. Ökar B. Minskar C. Oförändrad 0% 0% 0% Ökar Minskar Oförändrad

33 Kapitel 2 energi och energianalys Total energi Kinetisk energi Potentiell energi 2 mν E k = 2 E p = mgz Inre energi U summan av alla mikroskopiska energier Total energi: E = U + 2 mν Ek + E p = U + + mgz 2 [kj] Specifik energi: e 2 ν = u + ek + ep = u gz [kj/kg]

34 Kapitel 2 energi och energianalys Inre energi, U, utgörs av: Sensibel energi kinetisk energi hos molekyler, t.ex. rotationer och vibrationer. Latent energi associerad med faser och fasomvandlingar, dvs bindningar mellan molekyler. termisk energi = värme Kemisk energi energi i form av kemiska bindningar inom en molekyl. Nukleär energi energin i de starka krafterna som bilder ihop atomkärnor

35 Massflöde och energiflöde Massflöde = massa/tid Kapitel 2 energi och energianalys m = m t = ρv t = ρas t = ρ Av avg Energiflöde = energi/tid (enhet J/s = W) E me E = = = t t me Flöde av ånga genom ett rör med diametern D. Här är V avg hastigheten!

36 Energiinteraktioner Energi kan tillföras eller bortföras ett system via: Värme, Q Arbete, W Massa, m (endast öppna system då massa passerar systemgränsen kap 5) Kapitel 2 energi och energianalys Skillnaden mellan värme och arbete: Om drivkraften för energiöverföringen är en temperaturskillnad är processen värmeöverföring. Annars arbete!

37 Energiöverföring i form av värme: Q [kj] Kapitel 2 energi och energianalys energi som överförs mellan två system som har olika temperatur. Q Per massenhet: q = [kj/kg] m Värmeöverföringshastighet: Q Q = [kj/s = kw] t Q = Qdt t t 2 1 Q = Q t om Q Värme kan överföras på tre sätt: 1. Ledning 2. Konvektion 3. Strålning konstant

38 Kapitel 2 energi och energianalys Adiabatiska processer Ingen värmeöverföring sker, dvs Q=0 Systemet är isolerat OBS: Adiabatisk isoterm Temperaturen i ett adiabatisk system kan ändras genom att t.ex. tryck och volym ändras.

39 Energiöverföring genom arbete, W Kapitel 2 energi och energianalys Arbete: associerat med en kraft, t.ex. en rörlig kolv (piston), roterande axel (shaft). Också i elektrisk form som ström genom en kabel. T.ex. W = Fs = PAs [kj] w = W m [kj/kg] Effekt (power): arbete per tidsenhet W = W t [kj/s = kw]

40 Kapitel 2 energi och energianalys Riktning av energiflöden Definierar: värmeöverföring till systemet positiv arbete utfört av systemet positivt

41 Vilken eller vilka av följande införda storheter har enheten W (watt)? A. E B. Q C. e D. W E. Alla ovan 0% 0% 0% 0% 0% A. B. C. D. E.

42 Kapitel 2 energi och energianalys Värme och arbete Vägfunktioner har inexakta diffrentialer (δ )

43 Kapitel 2 energi och energianalys Termodynamikens 1:a huvudsats energins bevarande Energi kan varken skapas eller förstöras, bara övergå i andra former Potatis i en varm ugn: Ökningen av potatisens energi är lika stor som den värme som tillförts från ugnen. Adiabatiskt system: Ingen värmeöverföring (Q in = Q ut =0) Men 1:a huvudsatsen kan inte förklara allt! Säger inget om riktningen av energiflöden!

44 Kapitel 2 energi och energianalys Energibalans och ändring av ett systems energi tillförs bortförs ändring i total energi Genom vilka mekanismer kan energi tillföras/bortföras? Vad bygger upp ett systems totala energi?

45 Kapitel 2 energi och energianalys Energiöverföring via värme, arbete och massa

46 Ändring i ett systems energi Kapitel 2 energi och energianalys Systemets totala energi utgörs av inre, kinetisk och potentiell energi: E system = U + E k + E p = m 2 2 m( u2 u1) + ( v2 v1 ) + mg( z2 z1) 2 Stationära system: => ingen ändring i kinetisk eller potentiell energi => E k och E p = 0 E system = U = m( u 2 u1)

47 Kapitel 2 energi och energianalys Energibalans för en krets (cykel) Start- och sluttillstånd är samma => E system = E final E initial = 0 För ett slutet system gäller då: E in E ut = ( Q Q ) + ( W W ) = in ut in ut 0 Med teckenkonventionen: Q net, in = Wnet, ut eller Q = W = Q net, in Wnet, ut [kj/s = kw] (per tidsenhet)

48 Kapitel 2 energi och energianalys Verkningsgrad (efficiency, performance) Typiska verkningsgrader Vattenkraft till el 85% Ångkraftverk 60% El till värme 100% Bensinmotor 30% Dieselmotor 40%