Termodynamik FL 2 ENERGIÖVERFÖRING VÄRME. Värme Arbete Massa (endast öppna system)

Transkript

1 Termodynamik FL 2 ENERGIÖVERFÖRING, VÄRME, ARBETE, TERMODYNAMIKENS 1:A HUVUDSATS ENERGIBALANS FÖR SLUTNA SYSTEM ENERGIÖVERFÖRING Värme Arbete Massa (endast öppna system) Energiöverföring i ett slutet system i form av värme och arbete. Värme (Heat), Q VÄRME värme överförd per massaenhet Adiabatisk process: ingen värmeöverföring. 1

2 Värmeöverföringshastighet Vid konstant värmeöverföringshastighet. Vid värmeöverföringshastighet som varierar i tid. Mekanismer för värmeöverföring Värme är energin associerad med slumpmässig rörelse av atomer och molekyler. Värmeledning: energiöverföring från ett ämnes mer energetiska partiklar till mindre energetiska partiklar i närheten av dem på grund av interaktioner mellan partiklarna. Konvektion: energiöverföring mellan en fast yta och en angränsande fluid. Konvektion är en kombination av ledning och fluidrörelse. Strålning : energiöverföring på grund av emission av elektromagnetiska vågor. ARBETE Arbete, W: energiöverföring associerad med en kraft som agerar över ett avstånd. Arbete utfört per massaenhet Formell teckenkonvention (för teknisk TD): Värme överförd till ett system är positiv. Värme överförd från ett system är negativ. Arbete utfört av ett system är positivt. Arbete utfört på ett system är negativt. Ett alternativ till teckenkonvention är att använda index in och out för att antyda överföringsriktningen. 2

3 Värme och Arbete Båda är gränsfenomen. System har energi, men har ingen värme eller arbete. Värme och arbete är associerade med en process, inte med ett tillstånd. Värme och arbete är vägberoende funktioner. Vägberoende funktioner (Path functions) har icke-exakta differentialer (δ ) Tillståndsfunktioner är punktfunktioner (point functions) och har exakta differentialer (d ). Mekaniskt arbete Arbete mellan ett system och dess omgivning kräver: En kraft som agerar på systemets gränsyta. Gränsytan måste röra sig. Arbete = kraft avstånd Vid icke-konstant kraft Ingen rörelse, inget arbete utfört. Exempel: 1. Arbete utfört av en propelleraxel Vridmoment (Torque), T: Avstånd s: Axelns arbete: Axelns effekt: 3

4 2. Fjäderarbete Kraft F Förflyttning dx För linjära elastiska fjädrar är förflyttningen x proportionell med utövad kraft. (k: fjäderkonstant (kn/m)) Fjäderns arbete: x 1 och x 2 : start- och slutpositioner. Elektriskt arbete Elektriskt arbete: Elektrisk effekt: N = elektrisk laddning (Coulomb) som rör sig över ett spänningsintervall, V. (I = el. ström) Vid varierande spänning eller ström över tid. Vid konstant spänning och ström. Exempel (bil) TFS 2: exempel 4.10 & 4.11 på s. 138 TFS 3: exempel 3.8 & 3.9 på s. 77 TD 6: exempel 2.8 & 2.9 på s. 69 4

5 PV - arbete PV arbete (moving boundary work): expansions- och kompressionsarbete, som till exempel i en kolvförsedd cylinder motor (piston-cylinder device). W b är positiv för expansion W b är negativ för kompression Gasen gör ett arbete δw b när den rör kolven över ett avstånd ds. Tillämpningar: bilmotorer och kompressorer PV arbete: grafiskt PV - arbete PV-arbetet utfört under en process. Netto-arbetet utfört under en kretsprocess. 5

6 Speciella fall: 1. Polytropisk process C, n (polytropisk exponent) konstanter Polytropisk process För en ideal gas (inte n=1): 2. Isotermisk process n = 1; PV=C=RT: 3. Isobarisk process n=0; P=P 0 : TERMODYNAMIKENS 1:a HUVUDSATS Termodynamikens 1:a HS (energiprincipen): Energi kan varken skapas eller förstöras under en process; energi kan bara ändra form. Alternativ formulering: Ett systems energi är entydigt bestämt av dess tillstånd Exempel Potatisens energi ökar lika mycket som mängden tillförd värme. W = 0 E system = Q W = 0 E syst = Q net 6

7 Exempel (adiabatiska system) Mekaniskt arbete: Elektriskt arbete: Q = 0 E system = W mech Q = 0 E system = W el 1:a HS - Energibalans Nettoförändringen (ökning eller minskning) i systemets totala energi under en process är lika med skillnaden mellan den totala energin som kommer in och den totala energin som kommer ut ur systemet under denna process. Energi per massaenhet Systemets energiförändring, E system Bidrag: Inre, rörelse- och lägesenergiförändringar. 7

8 Energiöverföringar, E in och E out Värme, Q Arbete, W Massaflöde, E mass Slutna system: värme arbete (kj) Energibalansen i differentiell form per tidsenhet: För konstanta hastigheter: ENERGIBALANS FÖR SLUTNA SYSTEM Energibalans när teckenkonventionen används: i.e., heat input and work output are positive; heat output and work input are negative. Kretsprocess E = 0 W = Q 8

9 VERKNINGSGRAD FÖR ENERGIOMVANDLINGEN Verkningsgrad (Efficiency) antyder hur väl en energiomvandling eller överföring har lyckats. Ett kylskåp med öppen dörr som står i ett välisolerat rum (adiabatisk slutet system) Kommer temperaturen i rummet att sjunka, vara konstant, eller öka? Kommer temperaturen i rummet att sjunka, vara konstant, eller öka? 9

10 Exempel (fläkt) TSF 3: exempel 3.12 på s. 84 TD 6: exempel 2.12 på s