Termodynamik, lp 2, lå 2003/04

Transkript

1 5C1201 Strömningslära med Termodynamik för T Termodynamik, lp 2, lå 2003/04 Syfte; kursdelen introducerar de grundläggande begreppen inom klassisk termodynamik och ger en grund för vidare studier inom tillämpad mekanik, särskilt kompressibel strömning, och energiteknik. Innehåll Klassisk termodynamik Den första huvudsatsen, inre energi, p-v-arbete, och entalpi. Generaliserade värmemotorer, kylprocesser och värmepumpar. Den andra huvudsatsen, entropi och exergi. Materie, särskilt ideala gaser Materies olika faser, fast material, vätskor och gaser. Specifika värmekapaciteter. Inkompressibel materie. Den ideala gaslagen och Joules lag. Van der Waals gaslag. Kretsprocesser Carnot, Stirling, Ericsson, Otto, Diesel med flera. Övergripande mål för studier inom kursdelen Efter att ha studerat denna kursdel ska teknologen kunna; tillämpa termodynamikens första och andra huvudsatser i analyser av generella energiomvandlingsprocesser, särskilt sådana som förekommer i motorer för bilar, fartyg och flygplan, utföra termodynamiska beräkningar på vätskor och ideala gaser i problemställningar relevanta för farkostteknik, särskilt inkompressibel och kompressibel strömning, förklara den resursförbrukning som sker i energiomvandlingsprocesser, särskilt sådana som förekommer i motorer för bilar, fartyg och flygplan. Mer konkret ska teknologen kunna; beräkna arbetet utfört av ett godtyckligt p-v system under reversibla och isokora, isobara eller polytropa processer, beräkna överfört värme m h a specifika värmekapaciteter, beräkna arbetet utfört av en ideal gas under reversibla och isoterma eller adiabatiska processer, använda Joules lag för att relatera ändringar i inre energi och entalpi till ändringar i temperatur i en ideal gas, utföra beräkningar på energi- och exergibudgeterna för processer i slutna och öppna system, tillämpa termodynamikens andra huvudsats i en analys av en energiomvandlingsprocess som t ex en generaliserad värmemotor. forts

2 Mål för studier, forts Genom att läsa termodynamik ska teknologen; utveckla sin förståelse för det axiomatiska arbetssättet inom de generella och grundläggande naturvetenskaperna, utveckla sin förmåga att resonera stringent och generellt. Målsättningar som utgör kriteria för högre betyg (4 e 5) är kopplade till de utvecklingsmålen, s k strävansmål, som ges ovan och framgår av de mer detaljerade målen som ges för varje avsnitt. De är koncentrerade till kursdelens andra halva (fr o m avs 5b). Förkunskaper 5B1103 differential- och integralkalkyl, del 1 och del 2; 5C1103 mekanik baskurs; och inkompressibel strömning inom 5C1201. Undervisning 8 föreläsningar (2h), 9 räkneövningar (2h), 1 inlämningsuppgift och 1 laboration. Se programmet på fjärde sidan. Kurslitteratur Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran & Shapiro, 3rd ed., S.I. version. Säljs av THS bokhandel. Ej tillåten som hjälpmedel vid skrivningar. Termo T konc, Tony Burden, version 2.1. Säljs av studieexpeditionen, inst f mekanik, KTH, och finns som pdf-fil på kursens www-sidor. Tillåten som hjälpmedel vid skrivningar. Samtliga härledningar och bevis, Tony Burden. Redigeras i takt med föreläsningsprogrammet och läggs ut på kursens www-sidor. Version 1.1 säljs av studieexpeditionen, inst f mekanik, KTH. Ej tillåten som hjälpmedel vid skrivningar. Energi och exergi, Tony Burden, version 1.0. Kommer att läggas ut på kursens www-sidor och att säljas av studieexpeditionen, inst f mekanik, KTH, före december. Ej tillåten som hjälpmedel vid skrivningar. Värmemotor, inst f mekanik, KTH. Laborationshandledning för lab nr 3. Ej tillåten som hjälpmedel vid skrivningar. Inlämningsuppgift En inlämningsuppgift inom termodynamik utförs under läsperiod 2. Upplägget är identiskt med det för inlämningsuppgiften inom inkompressibel strömning som utfördes under läsperiod 1. forts

3 Laboration I kursdelens laboration undersöks en värmemotor. Laborationen genomförs under tiden fr o m tisdag 25 november. En bokningslista för labtider anslås i ingången till Teknikringen 8 någon gång i mitten av november. Observera att den andra laborationen inom strömningslära utförs under lp 2, fr o m måndag 27 oktober. Examination Kontrollskrivning nr 2 består av två uppgifter inom potentialströmning och tre uppgifter inom de första delarna av termodynamik (t o m avs 5b). Det ges två likvärdiga ordinarie skrivningstillfällen; ett fredag 21 november och ett måndag 1 december. Kontrollskrivning nr 3 består av två uppgifter inom de senare delarna av termodynamik (fr o m avs 7), två uppgifter inom kompressibel strömning, och en uppgift som kombinerar termodynamik och kompressibel strömning. Kontrollskrivning nr 3 skrivs under lp 3. Vid sluttentamen kommer det att vara möjligt att fritt disponera skrivningstiden mellan omskrivningar av kontrollskrivningar, om så behövs, och betygstentamen. Betygstentamen, som skrivs för att uppnå betyg 4 eller 5, består av två uppgifter inom termodynamik och tre uppgifter inom strömning. Lärare Tony Burden; burden@mech.kth.se; tel ; kursansvarig, föreläsare, räkneövningar (grp 1), inlämningsuppgift. Johan Gullman-Strand; johan@mech.kth.se; tel ; laboration nr 2. Claes Holmqvist; claesh@mech.kth.se; tel ; laboration nr 3. Arne Karlsson; akn@mech.kth.se; tel ; kursansvarig, räkneövningar (grp 2). Erik Lindborg; erikl@mech.kth.se; tel ; räkneövningar (grp 3).

4 Termodynamik för T, 5C1201, hösten 2003 Preliminärt Program mån 27 okt framåt lab TR8 lab 2 börjar tis 28 okt f1 K1 intro., den första huvudsatsen, p-v-arbete rö1 B25, 26, L43 som f1 tis 4 nov f2 B2 ideala gaser rö2 B25, 26, L43 ideala gaser fre 7 nov f3 D2 p-v-t-ytan, verkliga gaser, och inkompressibel materie rö3 D31, 32, E32 som f3 + ev ideala gaser, forts tis 11 nov f4 B2 energianalys av stationär strömning rö4 B25, 26, L43 strömning tis 18 nov f5 B2 värmemotorer, den andra huvudsatsen, termodynamisk temperatur rö5 L43, 44, M32 värmemotorer, HS2 fre ks K51,52, Q34,36 ks 2, 1:a ordinarie skrivningstillf. tis 25 nov framåt lab TR8 lab 3 börjar f6 B2 motorer, kretsprocesser, m m, lab rö6 B25, 26, L43 kretsprocesser (exkl entropi ) mån ks Q35,36, V32, 34 ks 2, 2:a ordinarie skrivningstillf. tis 2 dec f7 K1 reversibilitet, entropi, HS1 med HS rö7 B25, 26, L43 entropi fre 5 dec rö8 B23-25 kretsprocesser (inkl isentropa processer) tis 9 dec f8 K1 exergi rö9 B25, 26, L43 exergi

5 Allmänt och genomgående Några elementära begrepp. Det formella språket. Notation. kurslitteratur kursbok avs 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.6 kursmaterial avs 1.1, bilaga Notation 1a Den Första Huvudsatsen f1, rö1, del 1/2 HS1, inre energi, arbete, värme rörelseenergi, arbete (mekanik) kurslitteratur kursbok avs 2.3, 2.5 kursmaterial avs 1.2 prel. rö-prog. en del av 1.3, 1.4 e 1.5, en del av , 1.4, 1.5, 2.30, 2.32, 2.37, 2.40, gamla ks-uppgifter kunna förklara begreppen system, omgivning, tillstånd, och process, kunna definera begreppen tillståndsfunktion, kvasijämviktsprocess och reversibel process, kunna skilja mellan extensiva och intensiva eller specifika storheter, kunna skilja mellan adiabatiska processer och processer vid konstant inre energi, kunna tillämpa termodynamikens Första Huvudsats i en energianalys av en process under vilken värme överförs och arbete utförs. 1b p-v arbete f1, rö1, del 2/2 kompressions- och expansionsarbete, p-v diagrammet, isokora, isobara och polytropa processer tryck, kraft, arbete (mek., ström., hållf.) integraler (envariabelsanalys) kurslitteratur kursbok avs 2.2.2, kursmaterial avs 1.3 prel. rö-prog. 1.22, 2.11, 2.13, , 2.36, 2.37, 2.42, gamla ks-uppgifter kunna definera och ge exempel på begreppet p-v system, kunna rita en isokor, isobar eller polytrop process i ett p-v diagram, kunna beräkna arbetet utfört av ett godtyckligt p-v system under reversibla och isokora, isobara eller polytropa processer.

6 2 Ideala gaser f2, rö2 Den ideala gaslagen, Joules lag, och adiabatiska reversibla processer i ideala gaser med konstanta specifika värmekapaciteter. lite gymnasiefysik och -kemi, avs 1a o 1b kurslitteratur kursbok avs 3.1, 3.2, 3.4, 3.5 kursmaterial avs , 1.4 prel. rö-prog. 3.63, 3.64, 3.65d, 3.68, 6.79d 3.49, 3.61, 3.62, 3.66c, gamla ks-uppgifter kunna beräkna temperaturen, trycket eller den specifika volymen i en gas m h a den ideala gaslagen, kunna rita en reversibel och isoterm eller adiabatisk process i en ideal gas i ett p- V diagram m h a den ideala gaslagen, kunna beräkna arbetet utfört av en ideal gas under en reversibel och isoterm eller adiabatisk process m h a den ideala gaslagen, kunna använda Joules lag för att relatera ändringar i inre energi till ändringar i temperatur i en ideal gas under antagandet att dess specifika värmekapacitet vid konstant volym är konstant. kunna använda sambanden pv k = konstant o s v som beskriver tillståndsändringar i en ideal gas under en adiabatisk och reversibel process, kunna skilja mellan adiabatiska processer och isoterma processer i en ideal gas. 3a Materie hela p-v-t-ytan f3, rö3, del 1/3 Materies olika faser, fast material, vätskor och gaser. Specifika värmekapaciteter. lite gymnasiefysik och -kemi, flervariabelsanalys, avs 1a kurslitteratur kursbok avs 3.1, 3.2, 3.4, 3.5 kursmaterial avs 2.1, 1.4 prel. rö-prog. 3.2 a, b, c, 3.15, ev , gamla ks-uppgifter kunna beskriva hur ett godtyckligt materies olika faser representeras av p-v -T ytan, kunna identifiera den kritiska punkten och områden med blandade faser på p-v -T ytan, kunna ange det område på p-v -T ytan där en gas kan väntas uppföra sig som en ideal gas, kunna beräkna överfört värme m h a specifika värmekapaciteter vid konstant volym och vid konstant tryck under antagandet att dessa värmekapaciteter är konstanta, kunna beräkna överfört värme m h a fasomvandlingsenergi.

7 3b Verkliga gaser f3, rö3, del 2/3 van der Waals gaslag avs 2, 3a kurslitteratur kursbok avs 11.1 kursmaterial avs 2.2 prel. rö-prog a,d,e 11.1 a,b,e kunna beräkna temperaturen eller trycket i en gas m h a van der Waals gaslag. För att uppnå högre betyg (4 e 5) ska teknologen; kunna kalibrera van der Waals gaslag m h a den kritiska punkten. 3c Inkompressibel materie f3, rö3, del 3/3 modellen inkompressibelt materie avs 3a kurslitteratur kursbok avs kursmaterial avs prel. rö-prog ev delar av gamla ks-uppgifter kunna beräkna överfört värme m h a den specifika värmekapaciteten under antagandet att denna värmekapacitet är konstant, kunna beräkna ändringar i inre energi i inkompressibelt materie under antagandet att den specifika värmekapaciteten är konstant. Dessutom, efter att ha studerat avsnitt 4, ska teknologen; kunna beräkna ändringar i specifik entalpi i inkompressibelt materie under antagandet att den specifika värmekapaciteten är konstant.

8 4 Energianalys av stationär strömning f4, rö4 energibudgeten för stationär strömning genom ett öppet system, entalpi, axelarbete strömningslära (lp 1), avs 1a kurslitteratur kursbok avs 4.1, 4.2, 4.3 kursmaterial avs 1.5, 1.4 prel. rö-prog. 4.7a, 4.13, 6.80, 4.21, , 4.16, 4.17, 4.23, 4.26, 4.28, gamla ks-uppgifter kunna förklara betydelsen av begreppet entalpi i analysen av strömning, kunna ge exempel på axelarbete utfört av olika strömningsapparater, kunna utföra beräkningar på energibudgeten för stationär strömning genom ett öppet system, kunna använda Joules lag för att relatera ändringar i entalpi till ändringar i temperatur i en ideal gas under antagandet att dess specifika värmekapacitet vid konstant tryck är konstant. 5a Generaliserade värmemotorer f5, rö5, del 1/2 Generaliserade värmemotorer, kylprocesser och värmepumpar. Verkningsgrad, köldfaktor och värmefaktor. avs 1a kurslitteratur kursbok avs : 2.6 kursmaterial avs 1.7 prel. rö-prog. 2.43, 2.50, en ks-uppg om en värmepump 2.45, 2.49, 2.51, gamla ks-uppg. kunna förklara och ge exempel på begreppen värmemagasin, generaliserad värmemotor, generaliserad kylprocess och generaliserad värmepump, kunna använda storheterna verkningsgrad, köldfaktor och värmefaktor i beräkningar.

9 5b Den Andra Huvudsatsen f5, rö5, del 2/2 Den andra huvudsatsen. Clausius formulering och Plancks formulering. Termodynamisk temperatur. avs 1a kurslitteratur kursbok avs : 5.1, 5.2, 5.4, 5.5, 5.6 kursmaterial avs 1.6, 1.8 prel. rö-prog. 5.4, 5.31, 5.26, , 5.32, 5.36, 5.41, gamla ks-uppg. kunna försvara Clausius och Plancks formuleringar av termodynamikens Andra Huvudsats, kunna använda begreppet reversibel värmemotor i resonemang och beräkningar, kunna tillämpa termodynamikens Andra Huvudsats i en analys av en energiomvandlingsprocess, som en generaliserad värmemotor, en generaliserad kylprocess eller en generaliserad värmepump. För att uppnå högre betyg (4 e 5) ska teknologen; kunna bevisa ekvivalensen av Clausius och Plancks formuleringar av termodynamikens Andra Huvudsats, kunna visa att ingen värmemotor kan ha en högre verkningsgrad än en reversibel värmemotor, kunna visa att ingen kylprocess kan ha en högre köldfaktor än en reversibel kylprocess, kunna visa att ingen värmepump kan ha en högre värmefaktor än en reversibel värmepump, kunna grundligt förklara definitionen av begreppet termodynamisk temperatur. 6 Kretsprocesser f6, rö6, rö8 Carnot, Stirling, Ericsson, Otto, Diesel med flera avs 1 t o m 4 kurslitteratur kursbok kap 9 kursmaterial avs 3 prel. rö-prog. rö , 5.51, 9.7, 9.19, rö , 5.52b, 5.53, 9.31, , 9.3, 9.29, 9.61, gamla tentamensuppgifter forts

10 Kretsprocesser, forts kunna ge exempel på och beskriva idealiserade kretsprocesser som används som termodynamiska modeller för värmemotorer, kylprocesser och värmepumpar. För att uppnå högre betyg (4 e 5) ska teknologen; kunna utföra en analys av en reversibel kretsprocess bestående av isokora, isobara, isoterma, adiabatiska och polytropa delprocesser i en ideal gas. 7 Entropi f7, rö7 reversibilitet, entropi, HS1 med HS2 för ett p-v system, beräkningsformler för entropiändringar i ideala gaser och för isentropiska processer i ideala gaser. avs 1 t o m 4. kurslitteratur kursbok avs 5.1, 5.3, 6.1, 6.2, 6.3.3, 6.3.4, 6.4, 6.5, kursmaterial avs 1.9, 1.10, 2.2.6, prel. rö-prog. 5.11, 5.15a, del av 6.9 b o d, 6.13, 6.12, , 5.9, 5.6 o/e 5.7, 6.1, 6.15, 6.43, 6.53, 6.86, gamla ksuppgifter kunna ge exempel på icke-reversibla processer i strömning och värmeöverföring med mera, kunna beräkna ändringar i entropi som orsakas av värmeöverföring, kunna beräkna ändringar i entropi i en ideal gas, kunna beräkna arbetet utfört av en ideal gas under en isentrop process. För att uppnå högre betyg (4 e 5) ska teknologen; kunna använda Clausius olikhet för att visa att entropi är en tillståndsfunktion, kunna använda detta resultat för att försvara de vanliga metoder som används för att beräkna ändringar i entropi, kunna förklara betydelsen av begreppet enkelt system för beräkningar av ändringar i entropi, kunna diskutera relationerna mellan begreppet entropi och andra begrepp som reversibilitet, effektivitet, ordning och kaos.

11 rö8 se 6 Kretsprocesser 8 Exergi f8, rö9 energikvalitet, exergi, strömningsexergi, exergibudgetar för slutna och öppna system avs 1 t o m 4, avs 6 kurslitteratur kursbok avs 7.1, 7.2, 7.4 kursmaterial Energi och exergi prel. rö-prog. rö9: 7.3c, 7.11, 7.13 e 7.16, 7.31c, 7.36, , 7.9b, 7.14, övningar i Energi och exergi, gamla ksuppgifter kunna beräkna exergin i ett värmemagasin i en given omgivning, kunna beräkna exergin i en mängd ideal gas i en given omgivning, kunna beräkna flödes- eller strömningsexergin i en inkompressibel vätska i en given omgivning, kunna beräkna flödes- eller strömningsexergin i en ideal gas i en given omgivning, kunna utföra beräkningar på exergibudgeten för processer i slutna och öppna system. För att uppnå högre betyg (4 e 5) ska teknologen; kunna visa att den maximala mängd arbete som kan utvinnas ur ett värmemagasin i en given omgivning är lika med värmemagasinets exergi. Tony Burden, 17 oktober 2003

12 Ping Pong www-baserat stöd för studier Det finns ett webbaserat stöd för studier inom kursen på kursplattformen Ping Pong. Inom Strömn m termo f T2, 03/04 kan du bl a lämna in inlämningsuppgifter och kolla din förståelse med hjälp av små automatiska test. logga in Gå till kursens hemsida bland mekaniks www-sidor och klicka vidare till eller skriv in adressen direkt i din browser. Logga in med din KTH anv-id och tillhörande lösenord, d v s samma id som för bl a KTHs webmail. Entrén Först kommer du till den s k entrén inom Ping Pong vid KTH. Den första gången du kommer dit får du välja språk. Ping Pong är skrivet först och främst på svenska. Under fliken Support kan du kontrollera din dator och din www-browser. Om Ping Pong bara anmärker på dina plug-ins kan du köra vidare. Under fliken Min profil kan du bl a kontrollera din adress eller ladda upp ett foto av dig själv. Om du har tillgång till ett foto med rätt format och lägger in det i Ping Pong kommer lärarna att lära känna igen dig mycket snabbare. Under listan över pågående aktiviteter i fliken Aktiviteter ska du hitta Strömn m termo f T2. Markera den och kör igång den genom att trycka på start knappen. Inga dubbelklickar i Ping Pong! Strömn m termo f T2 Först kommer du till den s k menyn inom aktiviteten. Under Kursintroduktion kan du hitta mer information om aktiviteten. Inom Lektioner kan du lämna in inlämningsuppgifter och utföra små självrättande test. Det finns test med inlärningsfrågor och test som är tänkta att användas som en del av förberedelsen inför en kontrollskrivning. Veckouppgifterna kan lämnas in genom att utföra ett kort test. Inom Kontakt kan du läsa anslag på anslagstavlan ; läsa vanliga frågor och svar (FAQ); skicka frågor till lärarna, även anonymt; och delta i diskussioner inom diskutera. Eventuellt sätts chatten på någon dag före skrivningar. Kolla anslagstavlan. Inom biblioteket finns både ditt eget Ping Pong bibliotek och kursens Ping Pong bibliotek. Kursens Ping Pong bibliotek er bl a kursmaterial. Allt kursmaterial finns i övrigt fritt tillgängligt på kursens www-sidor. Support Tony Burden ansvarar för Ping Pong inom Strömning med termodynamik för T2.