Termodynamik FL1. Energi SYSTEM. Grundläggande begrepp. Energi. Energi kan lagras. Energi kan omvandlas från en form till en annan.

Transkript

1 Termodynamik FL1 Grundläggande begrepp Energi Energi Energi kan lagras Energi kan omvandlas från en form till en annan. Energiprincipen (1:a huvudsatsen). Enheter för energi: J, ev, kwh 1 J = 1 N m 1 cal = J SYSTEM System kan vara slutna eller öppna. Systemets yta (gränssnitt) kan vara fix eller rörlig. Definiera systemet genom att välja en lämplig gränsyta. 1

2 Slutna och öppna system Slutna system (Control mass): Massa konstant. Ingen materia kan ta sig ut eller in. Energiutbyte mellan system och omgivning. Öppna system (Control volume): Volym konstant. Materia- (massa) och energiutbyte mellan systemet och omgivningen. Systemets gränsyta (Control surface): Systemets gräns kan vara verklig eller imaginär. Exempel på öppna system Anläggningar som innebär massflöde, som till exempel kompressorer, turbiner, eller munstycken. Stationärt flöde (Steady-flow) Stationär betyder ingen ändring med tiden. Motsatsen till stationär är transient. Stationärt-flödesprocess: en process där en fluid flödar stationärt genom ett öppet system. Stationärt flöde (steady-flow devices). 2

3 EGENSKAPER hos ett SYSTEM Egenskap (Property). Kallas också för tillståndsfunktioner. Intensiva egenskaper och extensiva egenskaper. Kriterium för att urskilja intensiva och extensiva egenskaper. Specifika egenskaper: egenskap per massaenhet. TILLSTÅND och JÄMVIKT Ett tillstånd hos ett system är en uppsättning egenskaper (tillståndsfunktioner) som beskriver systemet fullständigt. Exempel Termisk jämvikt Mekanisk jämvikt Fasjämvikt Kemisk jämvikt Ett slutet system som uppnår termisk jämvikt. Tillståndspostulatet För ett enkelt komprimerbart system specificeras systemets tillstånd fullständigt genom TVÅ oberoende intensiva tillståndsfunktioner. Till exempel: P,T eller P,v The state of a simple compressible system is completely specified by two independent, intensive properties. Ett enkelt komprimerbart system är ett system där elektriska, magnetiska, gravitations-, rörelse-, och ytspänningseffekter är försumbara. Sambandet mellan tillståndsfunktionerna F(p,V,T)=0 Kallas för tillståndsekvationen. 3

4 PROCESSER Process: En förändring som ett system genomgår från ett till ett annat jämviktstillstånd. Processdiagram: Väg (Path): Serien olika tillstånd som systemet går igenom under en process. Kvasi-jämviktsprocess PROCESSDIAGRAM Exempel: P-V diagram för en kompressionsprocess. 4

5 iso- Isotermisk process: En process vid konstant temperatur T. Isobarisk process: En process vid konstant tryck P. Isokorisk (eller isometrisk) process: En process vid konstant specifik volym v. TEMPERATUR Termodynamikens 0:te huvudsats: Om två system är i termisk jämvikt med ett tredje system, då är de också i termisk jämvikt med varandra. Ersätt tredje systemet med en termometer. Termodynamikens 0:te lag kan då formuleras om: Två system är i termisk jämvikt om båda har samma temperatur. (Det gäller även om de inte är i kontakt med varandra). Celsius-skala (ºC) Temperaturskalor Kelvin-skala (K) en termodynamisk temperaturskala dvs oberoende av ett ämnes egenskaper. Ideal gas temperaturskalan Temperaturerna bestäms med en konstant volym gastermometer. P vs T diagram med experimentella data från en konstant-volym gastermometer för 4 olika gaser. 5

6 TRYCK Tryck: En normalkraft per ytenhet. Tryck i en punkt: Absolut tryck, P eller P abs Övertryck, P gage (gage pressure) Undertryck, P vac (vacuum pressure) P > P atm : P < P atm : Tryck i en fluid Trycket i en fluid ökar med djupet. I gaser: försumbar effekt Vid konstant densitet: Om densiteten varierar med djupet: Trycket i en vätska ökar linjärt med avståndet från ytan, h. Tryck i en fluid Trycket är samma vid alla punkter som befinner sig vid samma höjd (horisontalplan) i en given fluid och som står i förbindelse med varandra genom samma fluid. 6

7 Manometer Multilager av olika vätskor: BAROMETER och ATMOSFÄRSTRYCK En standard atmosfär, är definierad som trycket producerat av en 760 mm hög kolumn med kvicksilver vid 0 C ( ρ Hg = 13,6 kg/m 3 ) under standard gravitation (g = m/s 2 ). 7

8 Hur lyfter man bilen med en hydraulisk jack? Totala energin, E, hos ett system. ENERGIFORMER Termodynamiken behandlar endast ändringar i totala energin, E, hos ett system. Makroskopiska energiformer Mikroskopiska energiformer Inre energi, U, är summan av alla mikroskopiska energiformer. För slutna system med konstant hastighet och position (höjd), dvs. stationära system, är E = U. Totala energi per massaenhet (specifika totala energi) Rörelseenergi Rörelseenergi per massaenhet Lägesenergi Lägesenergi per massaenhet Systemets totala energi Systemets totala energi per massaenhet 8

9 Inre energi, U Molekylernas rörelseenergi ( Sensible energy) Latent energi: energin associerad med systemets aggregationstillstånd (fas). Kemisk energi: energin i bindningarna i en molekyl. Kärnenergi: energin i de starka bindningarna i atomkärnan. Molekylernas rörelseenergi Termisk = Sensible + Latent Inre = Termisk + Kemisk + Kärnenergi Rörelseenergi Den makroskopiska rörelseenergin är en organiserad form av energi och är användbar på ett annat sätt än den mikroskopiska rörelseenergin hos molekylerna. Statiska och dynamiska energiformer (energi-interaktioner) Statiska energiformer är lagrade i systemet. Dynamiska energiformer eller energiinteraktioner är inte lagrade i systemet. De går igenom systemet gränsyta. De är den energin som systemet vinner eller förlorar under en process. 9