ENERGI? Energi kan varken skapas eller förstöras, kan endast omvandlas till andra energiformer. Betrakta ett välisolerat, tätslutande rum. I rummet står ett kylskåp med kylskåpsdörren öppen. Kylskåpet är påslaget. Vad händer med lufttemperaturen i rummet? Kylskåpet passar precis i rummets dörröppning. Ställ kylskåpet i öppningen med kylskåpsdörren öppnad in mot rummet. Ändras lufttemperaturen i rummet? Byt ut kylskåpet mot en elektrisk fläkt (och stäng dörren). Ändras lufttemperaturen? Låt istället fläkten drivas via en roterande axel som går igenom rummets tak, med samma varvtal. Ändras lufttemperaturen? Ch. 3-1 Termodynamik C. Norberg, LTH
ENERGIFORMER E = Total energi (per massenhet e = E/m) E = U + KE + PE eller e = u + ke + pe KE = Masscentrums kinetiska 1 energi, = mv 2 /2 (V = hastighet) PE = Masscentrums potentiella energi = mgz (z uppåt ) E = U + KE + PE U = Inre energi = summan av alla molekylers kinetiska och potentiella energi relativt masscentrum = sensibelt och latent värme + kemisk energi (molekylernas bindningsenergi) + kärnenergi (atomernas bindningsenergi). Sensibelt värme : kinetiska delen; latent värme : bindningsenergi mellan molekyler 1 Vid rotation tillkommer Iω 2 /2, där I = r 2 dm m tröghetsmoment, ω = vinkelhastighet. Ch. 3-2 Termodynamik C. Norberg, LTH
VÄRME Det utbyte som sker mellan system och omgivning p.g.a. temperaturdifferens kallas värme. Mätstorhet för värme kan väljas godtyckligt. Ex. Standardsystem för kilokalori: ett kilo vatten vid T = 14.5 C, P = 1 atm = 101.325 kpa. Låt detta system kommunicera med ett annat system så att temperaturen stiger exakt en grad (d.v.s. till 15.5 C) det värme som då utbytts kallas en kilokalori (1 kcal = 4.186 kj). Beteckning: Q [ J ], per massenhet q [ J/kg ]. Teckenkonvention: Q räknas positivt om värme tillförs systemet (negativt om det bortförs ). Definierat som ett utbyte Värme ingen tillståndsstorhet. Adiabatisk process Q = 0. Överföring av värme: strålning, ledning och konvektion. Värmeflöde Q [ J/s ] Q = Q rad + Q cond + Q conv Ch. 3-3 Termodynamik C. Norberg, LTH
ARBETE Eventuellt massutbyte oräknat är arbete definierat som det utbyte mellan system och omgivning som inte är värme. MEKANISKT ARBETE Arbete uträttas då angreppspunkten för en kraft rör sig i kraftens riktning. Arbetet är lika med produkten mellan kraften och förflyttningen i kraftens riktning. TERMODYNAMISKT ARBETE Positivt arbete uträttas av ett system om inverkan på omgivningen kan omvandlas till enbart lyftning av en vikt. Arbetets belopp beräknas som i mekaniken. Om ett system uträttar ett visst positivt arbete, så uträttar omgivningen ett lika stort negativt arbete. Ch. 3-4 Termodynamik C. Norberg, LTH
AXELARBETE, ELEKTRISKT ARBETE AXELARBETE Via en roterande axel och över en systemgräns genom densamma förmedlas vridmomentet T = F r, där F är den tangentiella kraften vid axelns ytterradie r. Arbetet är kraften multiplicerat med förflyttningen i kraftens riktning. Vid konstant vridmoment fås W sh = F s = (T /r)(2πr)n sh = 2πn sh T, där n sh är antalet varv som axeln roterat. Arbetet per tidsenhet, axeleffekten (enhet watt [W] eller [Nm/s]): där ṅ sh är axelns varvtal. Ẇ sh = 2πṅ sh T ELEKTRISKT ARBETE Elektroner som via en sluten krets förmedlas över en systemgräns genom en potentialskillnad V e (elektrisk spänning) utför ett elektriskt arbete, W e. Arbetet per tidsenhet, den elektriska effekten, kan skrivas Ẇ e = V e I där I är den elektriska strömstyrkan. Ch. 3-5 Termodynamik C. Norberg, LTH
1:A HUVUDSATSEN = ENERGIPRINCIPEN Energi kan varken skapas eller förstöras; kan endast omvandlas till andra energiformer. Energi är en massberoende tillståndsstorhet. Underlag (slutna system): Utbyte (växelverkan) med omgivning sker endast via arbete eller värme. Vid alla adiabatiska processer (Q = 0) mellan två givna tillstånd har det visat sig att nettoarbetet är detsamma oavsett hur systemet är beskaffat och oavsett hur processen gått till. För identiska system och mellan två givna tillstånd med antingen renodlat värmeutbyte Q eller renodlat arbetsutbyte W har det visat sig att värmet är proportionellt mot arbetet (mekanisk värmeekvivalent, W/Q = 4186 Nm/kcal). Värme- alt. arbetsutbytet är proportionellt mot systemets massa. För alla kretsprocesser har man funnit att nettoarbetet är proportionellt mot nettovärmet, W/Q = 4186 Nm/kcal. Det experimentella underlaget till energiprincipen kan till största delen hänföras till de extremt noggranna och omfattande mätningar som 1840 9 utfördes av engelsmannen James Prescott Joule. Exp. Joule (1845/7/9): isolerad behållare med vätska; vikterna drar i linor som via trissor roterar en axel med paddlar vilka rör om i vätskan. Med korrektion för bl.a. linornas friktion och vikternas ändring i kinetisk energi överförs arbetsutbytet W = mgh till vätskan, vars temperaturökning T mäts med en termometer. Via T och känd vätskemassa M kan motsvarande värmeutbyte Q bestämmas, uttryckt i t.ex. kcal. Kvoten W/Q konstant, oavsett m, M, fallhöjd h och typ av vätska. Ch. 3-6 Termodynamik C. Norberg, LTH
ENERGIPRINCIPEN... James Prescott Joule (1818 1889) Konsekvenser: Mätstorhet för värme godtycklig välj samma som för arbete, 1 Nm = 1 J (joule). Det existerar en massberoende tillståndsstorhet E (energi), enhet [J] alt. [Nm]. För alla processer och alla system: (Q in Q out )+(W in W out )+E mass,in E mass,out = E sys För alla kretsprocesser (cykler) med slutna system: W net,out = Q net,in, med teckenkonvention: W = Q Ch. 3-6 Termodynamik C. Norberg, LTH