Motorer och kylskåp Repetition: De tre tillstånden Gas Vätska Solid http://www.aircraftbanking.com/ http://sv.wikipedia.org Föreläsning 3/3, 2010 Plasma det fjärde tillståndet McMurry Chemistry, http://wps.prenhall.com Fysiken bakom motorer och kylskåp - Termodynamik Värmeöverföring Värme Värmeöverföring Fasövergångar Ledning Konvektion Strålning Värmeöverföring genom ledning Värmeöverföring genom ledning Minskad rörelse Ökad rörelse 1
Olika ledningsförmåga Konvektion http://www.firewalking.com.au pga varierande molekylstruktur: material som leder el leder också värme Exempel på konvektion Ändringar i densitet orsakar strömning. Konvektion i jordskorpan www.dstu.univ-montp2.fr Strålning Värmestrålning Typ av värmeöverföring som även kan ske i vakuum 2
Vilken färg har värmestrålning? Absorption och reflektion av strålning Blir varm snabbare Svalnar snabbare Blir varm långsammare Svalnar långsammare Wien s strålningslag UV IR Växthuseffekten Fasövergångar www.wilson.wnyric.org Övergångar från olika tillstånd Avdunstning och kondensation i jämvikt Vätskan står i jämvikt med molekylerna i gasfas. Fördelningen mellan vätska och gas beror på temperaturen och tryck. 3
Avdunstning = kyleffekt Svettning = avdunstning Energi tas från ytan, dvs avkylning! Kondensation = uppvärmning Varför känns ångbastu varmare än torrbastu? Energi ges till ytan, dvs uppvärmning! Fasdiagram för vatten Kokning = förångning Så länge vätska finns kvar så är temperaturen konstant! 4
Vad händer sedan? Smältning Så länge isen smälter tas värme från vätskan och temperaturen hålls vid 0 C Ingen kylning pga avdunstning! Kastrullen smälter! Frysning Temp C Temperaturen på vattnet i olika steg När vatten fryser avges värme till vätskan och temperaturen hålls vid 0 C. 100 0 Is Vatten Smältning/frysning Ånga Förångning/kondensation Vid fasövergångar är temperaturen konstant! Tillförd värme www.rodjenas.com Regelation = Återfrysning Den drickande fågeln Isen smälter p g a trycket. Vattnet på ovansidan fryser när trycket minskar och värme avges. Värmen är tillräcklig att fortsätta smälta isen under tråden. Vattnets avdunstning ger kyleffekt, minskat tryck i huvudet. Avdunstning av eter i kroppen ökar trycket Etern stiger i halsen och ändrar tyngdpunkten så att fågeln doppar näbben i glaset Etern kan rinna tillbaka till kroppen och trycket utjämnas. Tillbaks i upprätt tillstånd. 5
Termodynamik Värmekraft 0:te huvudsatsen Om två system förs i kontakt med varandra kommer de att utbyta energi eller materia tills de är i jämviktsläge. 0:te huvudsatsen Om två system förs i kontakt med varandra kommer de att utbyta energi eller materia tills de är i jämviktsläge. Inre energi Tillfört arbete Tillförd värme Systemets inre energi Bortförd värme Utfört arbete Adiabatisk kompression Cykelpump Adiabatisk expansion Cykelpumpen baklänges. Tillfört arbete Systemets inre energi ökar Temperaturen ökar Systemets inre energi minskar Temperaturen minskar Utfört arbete 6
1:a huvudsatsen Energiprincipen: Värme som flödar in till ett system är lika med summan av ändringen i inre energi plus arbete som uträttas av systemet. 2:a huvudsatsen Entropiprincipen: Värme flödar från varmt till kallt. X värme = ändring i inre energi + uträttat arbete Förbränning Värmemotorer Carnotcykeln Carnotcykeln 1 2 Avgaser Q 1 Värme (Q 1 ) tillförs för att hålla temperaturen konstant vid expansionen Carnotcykeln 2 3 Carnotcykeln 3 4 Q 2 Adiabatisk expansion, dvs ingen värme tillförs från omgivningen. Temperaturen minskar Värme (Q 2 ) bortförs för att hålla temperaturen konstant vid kompressionen 7
Carnotcykeln 4 1 Uträttat arbete Förbränning Q 1 Q 2 Avgaser Adiabatisk kompression, dvs ingen värme avges från systemet. Temperaturen ökar. = tillförd värme (Q 1 ) bortförd värme (Q 2 ) Stirlingmotorn Otto-motorn, förbränningsmotorer Uppvärmning ut! Kylning Kompression pga hjulets vridmoment. Men ett hur fungerar ett kylskåp? Kör Stirlingcykeln baklänges X Bör inte fungera enligt 2:a huvudsatsen? Värme avges vid hög temperatur Expansion, arbete ut Kompression, energi tillförs Värme tillförs systemet vid låg temperatur Genom att tillföra mekanisk energi erhålls en kyleffeffekt! 8
Värmepump Kondensation Värmepump med kylmedium Insida kylskåp Pump, kompressor ökar trycket Baksida kylskåp Avdunstning Värme tas från omgivningen: -Avdunstning, -lågt tryck Värme avges till omgivningen: - Kondensation - högt tryck Expansionsventil minskar trycket Värmepumpar i vardagen 3:e huvudsatsen Alla processer upphör vid absoluta nollpunkten. Entropi Ett mått på oordning! Nästa gång 10/3: Nord och syd 9