OMÖJLIGA PROCESSER. 1:a HS: Q = W Q = Q out < 0 W = W net,out > 0



Relevanta dokument
Termodynamik Föreläsning 6 Termodynamikens 2:a Huvudsats

Termodynamik FL6 TERMISKA RESERVOARER TERMODYNAMIKENS 2:A HUVUDSATS INTRODUCTION. Processer sker i en viss riktning, och inte i motsatt riktning.

Kap 6 termodynamikens 2:a lag

Kap 6 termodynamikens 2:a lag

Kapitel III. Klassisk Termodynamik in action

Kap 6 termodynamikens 2:a lag

Termodynamik Av grekiska θηρµǫ = värme och δυναµiς = kraft

ÅNGCYKEL CARNOT. Modifieras lämpligen så att all ånga får kondensera till vätska. Kompressionen kan då utföras med en enkel matarvattenpump.

ARBETSGIVANDE GASCYKLER

Termodynamik (repetition mm)

Applicera 1:a H.S. på det kombinerade systemet:

Kap 10 ångcykler: processer i 2-fasområdet

Två system, bägge enskilt i termisk jämvikt med en tredje, är i jämvikt sinsemellan

Kretsprocesser. För att se hur långt man skulle kunna komma med en god konstruktion skall vi ändå härleda verkningsgraden i några enkla fall.

Arbete är ingen tillståndsstorhet!

Termodynamik FL7 ENTROPI. Inequalities

Kap 7 entropi. Ett medium som värms får ökande entropi Ett medium som kyls förlorar entropi

Tentamen i termodynamik. 7,5 högskolepoäng. Namn: (Ifylles av student) Personnummer: (Ifylles av student)

Entropi. Det är omöjligt att överföra värme från ett "kallare" till ett "varmare" system utan att samtidigt utföra arbete.

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 2 IKP/Mekaniksystem Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 2

MMVA01 Termodynamik med strömningslära

MMVF01 Termodynamik och strömningslära

Teknisk termodynamik repetition

TERMODYNAMIK? materialteknik, bioteknik, biologi, meteorologi, astronomi,... Ch. 1-1 Termodynamik C. Norberg, LTH

MMVA01 Termodynamik med strömningslära

Vad tror du ökning av entropi innebär från ett tekniskt perspektiv?

Uppvärmning, avsvalning och fasövergångar

Ch. 2-1/2/4 Termodynamik C. Norberg, LTH

Miljöfysik. Föreläsning 4

ENERGI? Kylskåpet passar precis i rummets dörröppning. Ställ kylskåpet i öppningen

Föreläsning 14: Termodynamiska processer, värmemaskiner: motor, kylskåp och värmepump; verkningsgrad, Carnot-cykeln.

Motorer och kylskåp. Repetition: De tre tillstånden. Värmeöverföring. Fysiken bakom motorer och kylskåp - Termodynamik. Värmeöverföring genom ledning

Om trycket hålls konstant och temperaturen höjs kommer molekylerna till slut att bryta sig ur detta mönster (sublimation eller smältning).

Repetition. Termodynamik handlar om energiomvandlingar

EGENSKAPER FÖR ENHETLIGA ÄMNEN

Termodynamik Föreläsning 2 Värme, Arbete, och 1:a Huvudsatsen

Miljöfysik. Föreläsning 3. Värmekraftverk. Växthuseffekten i repris Energikvalitet Exergi Anergi Verkningsgrad

SG1216. Termodynamik för T2

Termodynamik Föreläsning 7 Entropi

U = W + Q (1) Formeln (1) kan även uttryckas differentiells, d v s om man betraktar mycket liten tillförsel av energi: du = dq + dw (2)

Hjälpmedel: Valfri miniräknare, Formelsamling: Energiteknik-Formler och tabeller(s O Elovsson och H Alvarez, Studentlitteratur)

Planering Fysik för n och BME, ht-15, lp 1 Kurslitteratur: Göran Jönsson: Fysik i vätskor och gaser, Teach Support 2010 (eller senare). Obs!

TERMODYNAMIK? materialteknik, bioteknik, biologi, meteorologi, astronomi,... Ch. 1-2 Termodynamik C. Norberg, LTH

CH. 1 TERMODYNAMIKENS GRUNDER

Arbetet beror på vägen

CH. 1 TERMODYNAMIKENS GRUNDER

CH. 1 TERMODYNAMIKENS GRUNDER

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

Kap 9 kretsprocesser med gas som medium

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2 och Kf2 (KVM090) kl i V

Tentamen i termodynamik. 7,5 högskolepoäng. Tentamen ges för: Årskurs 1. Namn: (Ifylles av student) Personnummer: (Ifylles av student)

Välkommen till kursen. Termodynamik HT- 15

Föreläsning i termodynamik 28 september 2011 Lars Nilsson

Repetition F9. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Studieanvisningar i statistisk fysik (SI1161) för F3

Till alla övningar finns facit. För de övningar som är markerade med * finns dessutom lösningar som du hittar efter facit!

Välkommen till kursen. Termodynamik HT- 16

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 6 IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 6. strömningslära, miniräknare.

Kap 3 egenskaper hos rena ämnen

Tjältinare. Tjältinarna ser till att projekten blir klara i tid. Oavsett väderlek. VÅRA TJÄLTINARE JAGAR BORT FROSTEN.

Temperatur. Värme är rörelse

GÖTEBORGS UNIVERSITET Fysiska institutionen april 1983 Hans Linusson, Carl-Axel Sjöblom, Örjan Skeppstedt januari 1993 FY 2400 mars 1998 Distanskurs

MEKANIK KTH Forslag till losningar till Sluttentamen i 5C1201 Stromningslara och termodynamik for T2 den 30 augusti Stromfunktionen for den ho

Kap 6: Termokemi. Energi:

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

Tentamen i kemisk termodynamik den 12 juni 2012 kl till (Salarna L41, L51 och L52)

Planering Fysik för V, ht-11, lp 2

Tentamen i KFK080 Termodynamik kl 08-13

Mer om kretsprocesser

Förbränning. En kort introduktion Joakim Bood

Tentamen i teknisk termodynamik (1FA527)

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 7 IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 7. strömningslära, miniräknare.

Övningsuppgifter termodynamik ,0 kg H 2 O av 40 C skall värmas till 100 C. Beräkna erforderlig värmemängd.

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Kapitel IV. Partikeltalet som termodynamisk variabel & faser

Föreläsning 1: Introduktion, Mikro och makrotillstånd, Multiplicitet, Entropi

Planering Fysik för V, ht-10, lp 2

Teorin för denna laboration hittar du i föreläsningskompendiet kapitlet om värmemaskiner. Läs detta ordentligt!

FUKTIG LUFT. Fuktig luft = torr luft + vatten m = m a + m v Fuktighetsgrad ω anger massan vatten per kg torr luft. ω = m v /m a m = m a (1 + ω)

Linköpings tekniska högskola IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 8. strömningslära, miniräknare.

Tentamen i teknisk termodynamik (1FA527) för F3,

Räkna om ppm till mg/nm 3 normaliserat till 10% O 2!

RADIOMOTTAGARE FÖR GEMENSAM ANOD FÖR LED-strip - STYRENHET FÖR REGLERBART VITT OCH DIMMER -

Kap 9 kretsprocesser med gas som medium

Överhettad ånga, Table A-6 (2.5 MPa): T [ C] v [m 3 /kg] ? Linjär interpolation:

Repetition Energi & Värme Heureka Fysik 1: kap version 2013

7. Inre energi, termodynamikens huvudsatser

Personnummer:

Repetition F8. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Elanvändning direkt och indirekt. Olof Samuelsson Industriell Elektroteknik och Automation

Projektarbete Kylskåp

Laboration: Kretsprocesser

TENTAMEN I ENERGITEKNIK OCH MILJÖ (KVM034 och KVM033) i V-huset

Material föreläsning 8. HT2 7,5 p halvfart Janne Färm

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Förvaltningens förslag till beslut. Tunga fordon (totalvikt över 3,5 ton) a) Enbart drivmedel el. Denna kategori omfattar elfordon.

Brandsäker rökkanal. Skorstensfolkets guide till en trygg stålskorsten

Lektion 8: Innehåll: Överbelastningsskydd på en transmission. c 5MT007: Lektion 8 p. 1

Tentamen i Kemisk reaktionsteknik för Kf3, K3 (KKR 100) Fredagen den 22 december 2006 kl 8:30-12:30 i V. Man får svara på svenska eller engelska!

Repetition F7. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Transkript:

OMÖJLIGA PROCESSER 1:a HS: Q = W Q = Q out < 0 W = W net,out > 0 Q W; GÅR INTE! PMM1 bryter mot 1:a HS 1:a HS: Q in = W net,out ; OK 2:a HS: η th = W net,out /Q in < 1 η th = 1; GÅR INTE! PMM2 bryter mot 2:a HS Ch. 6-1/5 Termodynamik C. Norberg, LTH

VÄRMEMAGASIN, VÄRMEMOTORER Värmemagasin T ett system med vilket det går att utbyta värme utan att temperaturen T ändras, d.v.s. hög värmekapacitet (eng. thermal energy reservoir). Ex. atmosfären, sjöar och vattendrag, system under fasomvandling, värmepannor, brännare... Karakteristik för värmemotorer (eng. heat engines) alt. arbetsgivande kretsprocessmaskiner: 1. De mottar värme a från ett värmemagasin vid en hög temperatur; ex. värmekällor: solfångare, oljepanna, kärnreaktor,... 2. De omvandlar en del av detta värme till (nyttigt) arbete, oftast i form av axelarbete. 3. De avger resterande värme till ett värmemagasin vid en låg temperatur, lägre än under punkt 1; ex. värmesänkor: atmosfären, sjöar, vattendrag,... 4. De arbetar cykliskt (kretsprocess). a värme = energiutbyte p.g.a. temperaturdifferens. Arbetsmediet (eng. working fluid) kan vara i både gas- och vätskeform. 1:a HS W net,out = Q in Q out Ch. 6-2/3 Termodynamik C. Norberg, LTH

TERMISK VERKNINGSGRAD Termisk verkningsgrad = Nettoarbete ut Totalt tillfört värme η th = W net,out Q in = 1 Q out Q in Ex. ångkraftsanläggning, W net,out = W out W in = Q in Q out : Ch. 6-3 Termodynamik C. Norberg, LTH

TOTALVERKNINGSGRAD Termisk verkningsgrad, η th = Ẇnet,sh Förbränningsverkningsgrad, η comb = ṁ fuel HV HV = Bränslets värmevärde (HHV: avgasernas vatten i vätskeform; LHV: avgasernas vatten som vattenånga). metanol, LHV 20 MJ/kg; kol, HHV 33 MJ/kg; dieselolja, LHV 43 MJ/kg; bensin, LHV 44 MJ/kg; naturgas, HHV 50 MJ/kg; vätgas, HHV 142 MJ/kg Förbränningen inte fullständig, värmeförluster η comb < 1 Generatorverkningsgrad, η gen = Ẇnet,el Ẇ net,sh Ẇ net,el Totalverkningsgrad, η overall = ṁ fuel HV = η comb η th η gen Totalverkningsgrad för stora effektiva kombikraftverk idag: ca. 55% (η comb 0.95, η th 0.60, η gen 0.97). Ch. 2-7 Termodynamik C. Norberg, LTH

KÖLD- OCH VÄRMEFAKTOR Arbetskrävande kretsprocessmaskiner Värme upptas vid låg temperatur och avges vid en högre Arbetsmedium, t.ex. tetrafluoretan (R-134a), ammoniak, propan, butan,... (köldmedier, eng. refrigerants) Kostnad = W net,in (= Q L > 0) Kylmaskin (eng. Refrigerator): Nytta = Q L COP R = Q L W net,in = Q L Q L Värmepump (eng. Heat Pump): Nytta = COP HP = W net,in = Q L Samma process COP HP = COP R + 1 Ch. 6-4 Termodynamik C. Norberg, LTH

KYLMASKIN/VÄRMEPUMP W net,in = Q L = (7 5) kj = 2 kj COP HP = COP R = = 7 kj W net,in 2 kj = 3.5 Q L = 5 kj W net,in 2 kj = 2.5 Ch. 6-4 Termodynamik C. Norberg, LTH

ANDRA HUVUDSATSEN Betrakta en arbetsgivande kretsprocess (värmemotor) där värmeutbytena sker via två värmemagasin T H och T L, där T H > T L. OBS! och Q L är beloppen av värmeutbytena mellan värmemotorn och värmemagasinen T H och T L. W net,out = Q L η th = W net,out = 1 Q L Går det att åstadkomma en process där Q L = 0, d.v.s. termisk verkningsgrad, η th = 100%? NEJ! En värmemotor kan inte drivas utan värmeförluster! Moderna, effektiva ångkraftverk: η th 45%. Varför inte högre? η th,max = 1 T L /T H (Carnotverkningsgrad) Ex. T L = 300 K, T H = 750 K η th,max = 60% Ch. 6-3 Termodynamik C. Norberg, LTH

ANDRA HUVUDSATSEN (A) Konsekvens av värmemotor med verkningsgrad η th = 100% Värmepumpen (HP) justerad så att den avger lika mycket värme som tillförs den tänkta motorn. W net,out =, W net,in = Q L W net,out > W net,in W A = W net,out W net,in = Q L > 0 Evighetsmaskin! OMÖJLIGT!! ANDRA HUVUDSATSEN Formulering A (Kelvin-Planck) Det är omöjligt att konstruera en värmemotor vilken uträttar arbete och enbart tillförs värme. Ch. 6-3 Termodynamik C. Norberg, LTH

ANDRA HUVUDSATSEN (B) Betrakta en arbetskrävande kretsprocess W net,in = Q L Ex. värmepump COP HP = /W net,in Bäst process då W net,in 0 COP HP Spontan värmetransport från kallt till varmt! OMÖJLIGT!! ANDRA HUVUDSATSEN Formulering B (Clausius) Det är omöjligt att konstruera en kretsprocessmaskin vars enda verkan är att uppta värme vid en låg temperatur och avge det vid en högre. Ch. 6-4 Termodynamik C. Norberg, LTH

ANDRA HUVUDSATSEN (A=B) Påstående: Formuleringarna A och B har identisk innebörd. Bevis: A B och B A innebär A B (a) A möjlig B möjlig? Låt maskin A driva en vanlig (arbetskrävande) kylmaskin R (alt. värmepump HP). (b) B möjlig A möjlig? Låt maskin B verka mellan samma värmemagasin som en vanlig (arbetsgivande) värmemotor HE. Anpassa HE så att den avger lika mycket värme som B upptar. A B V.S.V. Ch. 6-4 Termodynamik C. Norberg, LTH

REVERSIBLA OCH IRREVERSIBLA PROCESSER En process är reversibel om det är möjligt att återföra både system och omgivning till deras resp. begynnelsetillstånd. För att en process skall vara reversibel fordras att systemet är i jämvikt under hela processen (den måste alltså vara kvasistatisk). En process är internt reversibel om inga irreversibiliteter uppträder inom systemet under processen; en grundläggande irreversibilitet är friktion. En verklig process är alltid icke-reversibel, irreversibel. Vissa processer kan dock vara internt reversibla, t.ex. fasomvandling. Värmeutbyte vid ändlig temperaturdifferens är irreversiblel. Värmeutbyte vid försumbar temperaturdifferens är reversibel. Kvasistatisk, friktionsfri och adiabatisk expansion/kompression är reversibel. Den reversibla processen är ett tänkt gränsfall; av stor teoretisk betydelse och något som bör eftersträvas. Irreversibiliteter (förluster) minskar förmågan att uträtta arbete. Ch. 6-6 Termodynamik C. Norberg, LTH

IRREVERSIBLA PROCESSER Exempel på faktorer (irreversibiliteter) som gör verkliga processer irreversibla: 1. Friktion 2. Gasblandning, diffusion 3. Expansion utan arbetsutbyte, t.ex. strypning 4. Värmeutbyte vid ändlig temperaturdifferens 5. Elektriskt motstånd 6. Icke-elastisk deformation 7. Kemiska reaktioner Ch. 6-6 Termodynamik C. Norberg, LTH

CARNOTPROCESSEN Arbetsgivande, reversibel kretsprocess (Carnotmotor) (1) (2): Reversibel isoterm expansion; värmetillförsel (2) (3): Reversibel adiabatisk expansion (3) (4): Reversibel isoterm kompression; värmebortförsel Q L (4) (1): Reversibel adiabatisk kompression Carnotprocessen (eng. Carnot cycle) i praktiken mycket svår att realisera; för att t.ex. hålla konstant temperatur krävs extremt långsam och anpassad expansion (1 2) och kompression (3 4). Även om motorn skulle kunna tillverkas skulle den bli mycket klumpig (och dyr). Effekten per liter slagvolym är mycket lägre än konventionella bensin- och dieselmotorer. Carnotprocessen skall främst ses en ideal process som bör eftersträvas (maximal energieffektivitet). Ch. 6-7 Termodynamik C. Norberg, LTH

RÉFLEXIONS SUR LA PUISSANCE... Nicolas-Léonard-Sadi Carnot (1796 1832), Frankrike. Som framgår av titelbladet till hans skrift (t.v.) studerade Sadi Carnot vid École Polytechnique i Paris (examen 1814). Carnot föddes i Paris 1 juni 1796, hans far var den berömde Lazare Carnot, Revolutionens ingenjör. Efter en tid som officer vid ingenjörstrupperna inledde Sadi sina undersökningar av värmemotorers effektivitet, som i juni 1824 ledde fram till utgivningen av Réflexions. Dess banbrytande idéer fick dock genomslag först efter Carnots död, framförallt via en artikel av Émile Clapeyron från 1834 och Lord Kelvins studier under 1840-talet. Sadi Carnot dog i kolera 24 augusti 1832, i Paris. P-V diagram av Carnotprocessen med gas som arbetsmedium. Ch. 6-7 Termodynamik C. Norberg, LTH

CARNOTS PRINCIPER Sadi Carnot (1824) Termiska verkningsgraden för en irreversibel kretsprocess är alltid lägre än för motsvarande reversibla process. (Carnots 1:a princip) η th < η th,rev Alla reversibla värmemotorer vid vilka värmeutbytet med omgivningen endast sker vid två konstanta temperaturer, har samma termiska verkningsgrad. (Carnots 2:a princip) η th,rev = 1 (Q L / ) rev = g (T H,T L ) Ch. 6-8 Termodynamik C. Norberg, LTH

TERMODYNAMISKA TEMPERATURSKALAN Carnotmotor: Man kan visa att Q L = f(t H, T L ) = φ(t H) Q L φ(t L ) Lord Kelvin (1848): sätt φ(t) = T Q L rev = T H T L Termodynamisk temperaturskala η th,rev = 1 T L /T H, (T tp ) H2 O 273.16 K (Kelvins absoluta temperaturskala) Oberoende av arbetsmedium, d.v.s. oberoende av ämnens olika egenskaper. Mycket svår att realisera, kan dock successivt närmas genom utnyttjande av termodynamiska samband. Sammanfaller med den ideala gasskalan. Samband a mellan Celsius-skalan (1742) och Kelvin-skalan: T( C) = T(K) 273.15 a Anders Celsius (1701 1744), Sverige; Lord Kelvin = William Thomson (1824 1907), England. Ch. 6-9 Termodynamik C. Norberg, LTH

CARNOTMASKINER Värmeutbyte vid försumbar temperaturdifferens: Q L rev = T H T L (a) arbetsgivande, W out = Q L η th η th = 1 Q L = 1 T L T H = η th,rev < η th,rev irreversibel värmemotor = η th,rev reversibel värmemotor > η th,rev omöjlig värmemotor Ex. T L = 300 K, T H = 750 K η th 1 300/750 = 0.600 COP (b) arbetskrävande, W in = Q L COP R = COP HP = Q L Q L = Q L = T L T H T L = COP R,rev T H T H T L = COP HP,rev < COP rev irreversibel kylmaskin/värmepump = COP rev reversibel kylmaskin/värmepump > COP rev omöjlig kylmaskin/värmepump Ex. T L = 4.00 C = 277.15 K, T H = 24.0 C COP R 277.15/20.0 = 13.9 Ch. 6-10/11 Termodynamik C. Norberg, LTH