Föreläsning. Termodynamik och Förbränning 26/

Relevanta dokument
Föreläsning. Termodynamik och Förbränning 3/ Förbränningsfysik

Föreläsning. Termodynamik och Förbränning 2/ Per-Erik Bengtsson Förbränningsfysik

Presentation av Förbränningsfysik

Förbränning. En kort introduktion Christian Brackmann

Laboration i. Förbränning

Allmän kemi. Läromålen. Viktigt i kap 17. Kap 17 Termodynamik. Studenten skall efter att ha genomfört delkurs 1 kunna:

Laboration i. Förbränning. Enoch Thulin-laboratoriet, hemvist för avdelningen för Förbränningsfysik sedan 2001.

Kapitel 6. Termokemi. Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws

Kapitel 6. Termokemi

Kapitel 6. Termokemi. Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws

Kapitel 6. Termokemi

Laboration i. Förbränning

Laboration i. Förbränning. Enoch Thulin-laboratoriet, hemvist för avdelningen för Förbränningsfysik sedan 2001.

Förbränning. En kort introduktion Christian Brackmann

Förbränning. En kort introduktion Joakim Bood

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

Kemi och energi. Exoterma och endoterma reaktioner

Innehåll. Energibalans och temperatur. Termer och begrepp. Mål. Hur mycket energi. Förbränning av fasta bränslen

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi. Spontanitet Entropi Fri energi Jämvikt

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi

Innehåll. Energibalans och temperatur. Termer och begrepp. Mål. Squad task 1. Förbränning av fasta bränslen

Energibalans och temperatur. Oorganisk Kemi I Föreläsning

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

Föreläsning. Projektstart. Prognos världens energibehov. Laboration i Förbränning. Termodynamik och Förbränning 31/

Förbränning. En kort introduktion Christian Brackmann

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

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

jämvikt (där båda faserna samexisterar)? Härled Clapeyrons ekvation utgående från sambandet

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Hur förändras den ideala gasens inre energi? Beräkna också q. (3p)

4. Kemisk jämvikt när motsatta reaktioner balanserar varandra

Övningar Homogena Jämvikter

Föreläsning 2.3. Fysikaliska reaktioner. Kemi och biokemi för K, Kf och Bt S = k lnw

Termodynamik Föreläsning 4

Jämviktsuppgifter. 2. Kolmonoxid och vattenånga bildar koldioxid och väte enligt följande reaktionsformel:

Lösningsförslag. Tentamen i KE1160 Termodynamik den 13 januari 2015 kl Ulf Gedde - Magnus Bergström - Per Alvfors

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 13-18

Tentamen i Kemi för miljö- och hälsoskyddsområdet: Allmän kemi och jämviktslära

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Repetition F12. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Föreläsning. Projektstart. Föreläsningar. Laboration i Förbränning. Termodynamik och Förbränning 5/

Planering Fysik för V, ht-10, lp 2

Grundläggande energibegrepp

Planering Fysik för V, ht-11, lp 2

KEMISK TERMODYNAMIK. Lab 1, Datorlaboration APRIL 10, 2016

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Flytande fas Gasfas

Bestäm brombutans normala kokpunkt samt beräkna förångningsentalpin H vap och förångningsentropin

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Fast fas Flytande fas Gasfas

Laboration 2, Materials Termodynamik

Då du skall lösa kemiska problem av den typ som kommer nedan är det praktiskt att ha en lösningsmetod som man kan använda till alla problem.

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Flytande fas Gasfas

Kapitel 3. Stökiometri. Kan utföras om den genomsnittliga massan för partiklarna är känd. Man utgår sedan från att dessa är identiska.

Bergvärme. Biobränsle. Biogas. Biomassa. Effekt. X är värmen i berggrundens grundvatten. med hjälp av värmepump.

Kapitel 5. Gaser. är kompressibel, är helt löslig i andra gaser, upptar jämt fördelat volymen av en behållare, och utövar tryck på sin omgivning.

Projektarbeten på kursen i Fysik för C & D

Månadens molekyl är syre, O 2. Syre har valts till månadens molekyl därför att syre ingår i en mängd olika reaktioner där energi omsätts.

Kap 6: Termokemi. Energi:

Kapitel III. Klassisk Termodynamik in action

Övningstentamen i KFK080 för B

Svara på följande frågor som träning inför kemiprovet om gaser, luft och vatten.

Energitransport i biologiska system

Kapitel Kapitel 12. Repetition inför delförhör 2. Kemisk kinetik. 2BrNO 2NO + Br 2

Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk mekanik för F3

Kap 4 energianalys av slutna system

Nästan alla ämnen kan förekomma i tillstånden fast, flytande och gas. Exempelvis vatten kan finnas i flytande form, fast form (is) och gas (ånga).

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

FBU, maj, Revinge. Thomas K Nilsson

Kapitel Repetition inför delförhör 2

Organisk kemi. Till provet ska du

Molekyler och molekylmodeller. En modell av strukturen hos is, fruset vatten

Biobränsle. Biogas. Biomassa. Effekt. Elektricitet

Kap 3 egenskaper hos rena ämnen

Termodynamik Av grekiska θηρµǫ = värme och δυναµiς = kraft

Stökiometri I Massa-Molmassa Substansmängd

Vecka 49. Förklara vad energi är. Några olika energiformer. Hur energi kan omvandlas. Veta vad energiprincipen innebär

LABORATION 2 TERMODYNAMIK BESTÄMNING AV C p /C v

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

Vilken av följande partiklar är det starkaste reduktionsmedlet? b) Båda syralösningarna har samma ph vid ekvivalenspunkten.

Repetition F4. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Kapitel 3. Stökiometri. Kan utföras om den genomsnittliga massan för partiklarna är känd. Man utgår sedan från att dessa är identiska.

ORGANISK KEMI KOLFÖRENINGARNAS KEMI

Kemisk Dynamik för K2, I och Bio2

Repetition F10. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Kapitel 3. Stökiometri. Kan utföras om den genomsnittliga massan för partiklarna är känd. Man utgår sedan från att dessa är identiska.

Kapitel 3. Stökiometri

Inläsningsblad, organisk kemi

Innehållsförteckning. I. Introduktion och första grundlagen I.1. Överblick och motivation

Spelschema för årets fotbollsmästerskap! island tyskland Söndag 14/7 Växjö Arena, Växjö. Söndag 14/7 Kalmar Arena, Kalmar

Tentamen, Termodynamik och ytkemi, KFKA01,

Kursinformation: F0004T Fysik1, lp1 2007

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Projektarbeten på kursen i Fysik för C & D

Alla papper, även kladdpapper lämnas tillbaka.

Tentamen i Termodynamik för K och B kl 8-13

Laboratorier DGE Mark och Miljö AB Göteborg Ackrediteringsnummer 1940 Miljökontroll A

(tetrakloroauratjon) (2)

Fo rbra nning ett formativt prov i kemi

Terminsplanering i Kemi för 7P4 HT 2012

Transkript:

Föreläsning Termodynamik och Förbränning 26/10 2011 1

Projektstart Projekt: Förbränningsfysik För alla projekt i Förbränning, samling på torsdag 27/10 kl. 10.15 i E421. För vägbeskrivning till E421 se instruktionen på laborationshäftet. Denna sal (E421) ligger alldeles bredvid E420 där laborationsgenomgångarna kommer att hållas. Projekt: Kärnfysik För alla projekt i Kärnfysik, samling på torsdag 27/10 kl. 10.15 i H530. Projekt: Matematisk Fysik För projekt i Matematisk Fysik sker projektstart efter information via mail. Bokning av Laboration i Förbränning 12 laborationstider mellan 30/10 och 14/11. Måndag 31/10 13-17, Tisdag 1/11 13-17, Onsdag 2/11 8-12, Onsdag 2/11 15-19, Fredag 4/11 8-12, Måndag 7/11 13-17, Tisdag 8/11 13-17, Onsdag 9/11 8-12, Onsdag 9/11 15-19, Fredag 11/11 8-12, Måndag 14/11 13-17. Bokning sker på tavlan utanför expeditionen (trapphallen) fram till och med fredagen den 28 oktober kl. 17 därefter finns listan vid rum E314 i Enoch Thulinlaboratoriet. För att garanteras plats på laborationen ska bokning ha skett senast den 31 oktober kl.12. 8 personer per laboration, laborationen görs i grupper om två. Laborationhandledningen består av tre delar (Laborationsinstruktion, Teori (om förbränning),teori (om termoelement) Tre förberedelseuppgifter ska vara gjorda före laborationstillfället. Tre beräkningsuppgifter (i laborationsinstruktionen) ska lämnas in tillsammans med rapporten. Samling inför laborationerna sker i E420, se information på laborationshandledningens framsida. Inlämning av rapport sker inom en vecka från laborationstillfället i inlämningsfack märkt Per- Erik Bengtsson längst ner i trapphallen Återlämning sker inom en vecka från inlämningen. Laborationen ingår inte i betygsättningen på kursen. 2

Prognos världens energibehov överraskning Global energianvändn nng Organiska och fossila bränslen Nya och förnybara energikällor geotermisk sol ny biomassa vind kärnkraft vattenkraft gas olja År kol biomassa Mål: Effektiv miljövänlig förbränning! Partikelutsläpp från marin Dieselmotor NO 2 -utsläpp från stationär förbränningsugn 3

Förbränning är komplext! Delområden Kemisk kinetik Flödeskarakteristik Fysikaliska processer Diffusion Värmeledning Strålning Termodynamik Olika faser Gaser Droppar Partiklar Praktiska bränslen Exempel på turbulent förbränning Verktyg Teoretiska modeller Experimentella tekniker Lasertekniker! Olika flamtyper på Bunsenbrännare Diffusionsflamma Förblandad flamma, Turbulent strömning Förblandad flamma, Laminär strömning 4

Flamstruktur N 2 H 2 O CO 2 C 3 H 8 N 2 O 2 Bränsle + luft Förbränning i bensinmotor Insugsrör Avgasrör Tändstift Kolv Cylinder 5

Lektionens innehåll 1 Definitioner Frigjord energi Värmevärdeä H (entalpi) 2 Adiabatisk flamtemperatur H Vad är temperatur? C p (värmekapacitet) Molekylers rotationer och vibrationer 3 Gassammansättning H Kemisk jämvikt S (entropi) G (Gibbs fria energi) 4 Förbränning ur termodynamisk synpunkt Förbränning av vätgas med syrgas 2 H 2 + 1 O 2 2 H 2 O k = A T n exp(-e 2 2 2 a /RT) Number Reaction A n E a [kj/mole] 1 H + O 2 OH + O 1.94 10 14 0.00 68.78 2 O + H 2 H + OH 5.08 10 4 2.67 26.32 3 OH + H 2 H + H 2 O 2.16 10 8 1.51 14.35 4 O + H 2 O OH + OH 2.95 10 6 2.02 56.07 5 H +M H+H+M 457 2 H + 4.57 10 19-1.40 140 436.73 6 O + O + M O 2 + M 6.75 10 15-0.50 0.00 7 O + H + M OH + M 4.72 10 18-1.00 0.00 8 H + O + M H 2 O + M 2.24 10 22-2.00 0.00 9 H + O 2 + M HO 2 + M 6.70 10 19-1.42 0.00 10 HO 2 + H H 2 + O 2 6.62 10 13 0.00 8.91 11 HO 2 + H OH + OH 1.69 10 14 0.00 3.64 12 HO 2 + O OH + O 2 1.75 10 13 0.00-1.67 13 HO 2 + OH H 2 O + O 2 1.90 10 16-1.00 0.00 14 HO 2 + HO 2 H 2 O 2 + O 2 4.20 10 14 0.00 50.12 15 H 2 O 2 + M OH + OH + 1.20 10 17 0.00 190.37 M 16 H 2 O 2 + H H 2 O + OH 1.00 10 13 0.00 15.02 17 H 2 O 2 + H H 2 + HO 2 4.82 10 13 0.00 33.26 18 H 2 O 2 + O OH + HO 2 9.64 10 6 2.00 16.61 19 H 2 O 2 + OH H 2 O + HO 2 1.00 10 12 0.00 0.00 6

Förbränning av metan 1 CH 4 + 2 O 2 1 CO 2 + 2 H 2 O 149 reaktioner för metanoxidation Hur många behövs för ett verkligt bränsle? Standardtillstånd Standardtillstånd: den stabila formen av ett atomslag (N, O, H, C) vid referensförhållandet. För N är det N 2 (inte N, N 3, etc.) För O är det O 2 (inte O, O 3, etc.) För H är det H 2 (not H, H 3, etc.) För C är det C s,grafit (inte C, C s,diamant, etc.) Referensförhållandet är ett definierat tryck och en definierad temperatur, oftast T=298 K och p 0 =0.1 MPa. 7

Standardbildningsentalpi Entalpin för N 2, O 2, H 2 och C s,grafit vid referensförhållandet ges värdet 0, dvs H=0 Från denna definition kan standardbildningsentalpin H 0 ges för alla andra ämnen. H 0 f, 298 Entalpi, H H 2, O 2, N 2, C s, grafit. H0 f, 298 C 3 H 8 H 2 O (l) 0-103.85 kj/mole -285.10 kj/mole Tabell 1. Standardbildningsentalpin, H 0 f, 298, för olika ämnen (p 0 =0.1 MPa, T 0 =298 K) H 0 f, 298 (kj/mol) SO 3 svaveltrioxid -395.76 CO 2 koldioxid -393.52 SO 2 svaveldioxid -296.84 H 2 O(l) vatten, vätskefas -285.10 H 2 O(g) vatten, gasfas -241.83 CH 3 OH(l) metanol, vätska -239.00 CO kolmonoxid -110.53 C 3 H 8 propan -103.85 CH 4 metan -74.87 O 2 syrgas 0 N 2 kvävgas 0 H 2 vätgas 0 C grafit (s) kol, grafit 0 SO svavelmonoxid 5.01 NO 2 kvävedioxid 33.10 C 2 H 4 etylen (eten) 52.47 NO kväveoxid 90.29 H väte 218.00 C 2 H 2 acetylen (etyn) 226.73 O syre 249.17 C(g) kol, gasfas 716.67 8

Tabell A.7 Termokemiska data för vatten (H 2 O) ideal gas. molvikt 18.01528 T r = 298.15 K. Referenstryck = p 0 =0.1 MPa C 0 p S 0 H 0 -H 0 (T r ) f H 0 f G 0 T K J/molK J/molK kj/mol kj/mol kj/mol 0 0 0-9.904-238.921-238.921 100 33.299 152.388-6.615-240.083-236.584 200 33.349 175.485-3.282-240.900-232.766 298.15 33.590 188.834 0-241.826-228.582 300 33.596 189.042 0.062-241.844-228.500 400 34.262 198.788 3.452-242.846-223.901 500 35.226 206.534 6.925-243.826-219.051 Ur NY TEKNIK Bränslens energiinnehåll = värmevärde 9

C p uttryckt som polynom i temperatur 10

Enatomär gas P(v) Maxwell Boltzmannfördelning Ökad T v 8 k T m 1 / 2 v k = Boltzmanns konstant (1.38 E-23 J/K) m = molekylmassa (kg) T = temperatur (K) 1. Argon vid temperaturen 300 K v 400 m/s Atomstorlek: Fri medelväglängd : Kollisionsfrekvens: Tid mellan kollisioner: 1 Å 1 m 410 8 per sekund 2 ns Diatomär gas P(v) Maxwell Boltzmannfördelning Ökad T v 8 k T m 1 / 2 v k = Boltzmanns konstant (1,38 E-23 J/K) m = molmassa (g) T = temperatur (K) 1. Kvävgas vid temperaturen 300 K v = 500 m/s Molekylstorlek: 2Å Fri medelväglängd : 0,3 m Kollisionsfrekvens: 210 9 per sekund Tid mellan kollisioner: 0.6 ns 2. Det finns ytterligare frihetsgrader: rotationer och vibrationer 11

Rotationer och vibrationer 0,09 Nitrogen (N 2 ) Energinivådiagram för diatomär moleyl Relativ po pulation 0,08 0,07 0,06 T=300 K 0,05 0,04 0,03 T=1700 K 0,02 0,01 0 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 Rotationskvanttal J J v=1 v=1 v=0 Internukleärt avstånd ion Relativ populati 1 0,9 08 0,8 0,7 0,6 v=0 0,5 v=1 0,4 0,3 v=2 0,2 0,1 0 200 700 1200 1700 2200 2700 3200 Temperatur (K) Värmekapacitet, Cp 70 60-1 Cp / J mol -1 K - 50 40 30 20 10 N2 O2 CO2 H2O Ar 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Temperatur / K 12

l Temperaturmätning i motor T=490 K Signal T=706 K Energi Upphettning av koldioxid 100% 90% 80% Koncentration 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% CO O O O 2 CO 2 0% 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 Temperatur / K 13

Upphettning av vatten 100% 90% 80% H 2 O 70% Koncentration 60% 50% 40% 30% 20% 10% O 2 OH H 2 H O 0% 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 Temperatur / K Gibbs fria energi (G) G = H TS G avgör riktningen för en reaktion. En tänkt reaktion A + B C + D Om G = G(produkter) G(reaktanter) <0 reaktionen går spontant t åt höger >0 reaktionen går spontant åt vänster 14

Sammanfattning: Förbränning i förblandad flamma C 3 H 8 Mest CO 2 O 2 3 4 2 N 2 H 2 O N 2 1 2 1: Reaktanterna närmar sig reaktionszonen 2: Hundratals ämnen och reaktioner. 3: Hög temperatur, >2000 K, höga koncentrationer av ämnen som CO, H 2 och atomer. Kemisk jämvikt råder. Systemet maximerar entropin och minimerar Gibbs fria energi. G=H-TS 4: Temperaturen sjunker. De kemiska jämvikterna förskjuts mot mer CO 2 och H 2 O. Produktgaskoncentrationer in C 3 H 8 /luftflamma 15

Produktgaskoncentrationer in C 3 H 8 /O 2 -flamma Det är lätt att få något att brinna, men att göra det miljövänligt och effektivt kräver kunskap inom många vetenskapliga områden! Vihar enbart gjorten termodynamiskbetraktelse av en förblandad flamma. Några saker att fundera på: Förbränning kan ske inom stora tryck och temperaturområden och bete sig olika på grund av detta. Olika flamtyper (förblandat, icke förblandat) beter sig olika. Graden av turbulens har stor inverkan på effektivitet och föroreningar Fasta och vätskeformiga bränslens struktur ger olika beteenden. That s fantastic! I can t keep up with all this modern combustion technology! 16