...1... Zdefiniować jednostki ilości substancji.a)jednostka masy atomowej- μ0=1/12 masa atomu izotopu C; C12≈1.66057*10-27kg;μ0-masa 1 nukleonu b)ilość cząsteczek(substancji) -[1 mol] υA=(6,0225±0,00028)*1023drobin c)masa molowa [gram] νA=(μ0*M) gdzie: M-ilość nukleonów; μ0 -masa drobiny; [νA*μ0=1] inaczej mówiąc liczba (k)mol-ilość substancji, której masa spoczynkowa w(kg)g jest równa liczbie M określającej względną masę drobiny(ilość nukleonów w drobinie) e)wtórne sposoby określania ilości substancji - masa substancji m= n* M[kg] f)objętością zajmowaną przez substancje w warunkach normalnych 0°C i 750=1 bar 1 kmol=22,71mm3 ...2... Zdefiniować układ termodynamiczny i podać cechy układu zamkniętego, otwartego i odosobnionego. Układ (system)-dowolny zbiór ciał fizycznych wyodrębnionych z otoczenia przy pomocy umownie poprowadzonej granicy (osłony)stałej lub ruchomej rzeczywistej lub nierzeczywistej. Stanowi obiekt rozważań a)układ otwarty (przepływowy)-przez granicę tego układu przechodzi zarówno energia jak i substancje mukł - niekoniecznie const. Np. grzejnik; b)układ odosobniony(izolowany)-przez granicę tego układu nie przechodzi ani substancja ani energia. c)układ zamknięty-przez granice tego układ przechodzi tylko energia mukł=const d)układ adiabatyczny-przez granice tego układu nie przechodzi ciepło tylko inne postacie energii(głównie prace mechaniczna)...3...Zdefiniować i podać cechy funkcji przemiany i stanu. Funkcja stanu - jest to znamię ilościowe wtórne, obliczone z parametrów stanu, zależne stanu ciała i zachowujące swą wartość tak długo jak długo trwa stan. a)energia wewnętrzna dU = TdS - PdV jest łączną energią wszystkich atomów i drobin i ich fragmentów składających się na ciało fizyczne .U = (m' + m'')U - energia cieczy wrzącej + pary suchej nasyconej b)entalpia H = U + PV [kJ] suma energii wewnętrznej. i iloczynu PV c)entropia dS = d^Q°/T [kJ/K] funkcja stanu, której zmiana równa jest ilorazowi dostarczonego ciepła i temp.d)energia swobodna F = U - TS [kJ] (potencjał termodynamiczny Helmhotza) - jej ubytek można w całości przekształcić w pracę e)entalpia swobodna G = H - TS [kJ] (potencjał T. Gibbsona)- część entalpii, którą w odwracalnych warunkach można zamienić na pracę techniczną Funkcja przemiany-wielkości fizyczne zależne od przemiany i występujące tylko w czasie trwania przemiany np. ciepło i praca... 4... Sformułować definicje pracy i ciepła stosowane w termodynamice. a)mechaniczna- iloczyn siły i przesunięcia wzdłuż linii działania siły L=F*s pracę otrzymujemy przy zmianie stanu ciała dL=Fds=PAds=pdV. Praca całkowita (wykonana przez parę lub gaz) zmiana stanu z 1 do 2; L1-2= V1 całka V2 pdV=m* V1 całka V2p*dv(rys.1) b) techniczna- łączy prace wykonaną przez idealny silnik tłokowy w czasie jednego cyklu roboczego (napełnianie, przemiana w układzie zamkniętym, opróżnieniu cyklu z gazu)Lt1-2=Lnap+L1-2+Lopr . Ciepło-część energii termicznej(cieplnej) przekazywanej poprzez granice układu bez przenoszenia substancji wskutek istniejącego spadku temp.przenoszenie jest możliwe gdy ciałanie są oddzielone przesłoną adiabatyczną Metody: przewodzenie, promieniowanie, unoszenie.Ciepło nie jest formą energii a jedynie sposobem jej przekazywania jest to energia termiczna w przejściu. Występuje tylko przy zmianie stanu ciała w danym stanie równowagi nie ma ciepła jest energia cieplna Q[J] g= \Q/m[kJ/kg] Q'=Q/T[W]-moc cieplna -natężenia strumienia cieplnego.( „+” jak do układu z otoczenia, na odwrót to„-”) Ciepło występuje tylko w czasie przemiany i jest jej funkcją;
...5... Wymienić główne składniki energii wewnętrznej i entalpii. a) ener. Atomowa- energia stanów atomowych i energia wiązań nukleonów w jądrze b)ener. Chemiczna-energia wiązań atonów w cząsteczce (drobinek) c) termiczna-energia kinetyczna cząsteczek pozostających w ruchu postępowym, obrotowym i oscylacyjnym oraz energia potencjalna tych cząstek w polu wzajemnego oddziaływania. Entalpia wew (U')-łączna energia ze wszystkich atomów, drobin i ich fragmentów składających się na ciepło fizyczne. Jest to funkcja stanu (Gibbs) ...6... Wymienić metody obliczania ciepła pobranego przez ciało..Qc1-2=qd-qw+qf ; Qc1-2=m*C|T1T2*(T2-T1); qf-cieplo tarcia a)gdy jest dane C=C(t) ; qc= t1całka t2 C(t)dt; b) gdy dane jest C|0t 1) schładzam od t1 do 0 i grzeje od 0 do t2; qc=C|0t2(t2-0)-C|0t1(t1-0), tzn. że C|t1t2=qc/(t2-t1)=[C|0t2 t2 - C|0t1t1] / (t2-t1) c) na podstawie pomiarów kalorymetrycznych qc0(t1=0oC)do pomiaru rzeczywistego ciepła właściwego C=C|0t + [t * d*C|0t]/dt Qc1-2=mc|t1t2 * (t2-t1) = n*(Mc)|t1t2*(t2-t1)=Vn*Cn|t1t2*(t2-t1); ...7... Określić warunki odwracalności przemiany termodynamicznej. Proces uważa się za odwracalny gdy po jego odbyciu wszystkie składniki biorące w nim udział systemu i otoczenia można doprowadzić do stanu wyjściowego nie pozostawiając absolutnie żadnych zmian w systemie i otoczeniu. Aby proces był odwracalny musi: - przebiegać bez oporów, - przepływ ciepła musi odbywać się przy nieskończenie małym spadku temperatury, - przepływ substancji musi odbywać się przy nieskończenie małym, spadku stężenia, ...8... Zdefiniować pracę bezwzględną oraz wyjaśnić sens fizyczny pracy technicznej. Praca bezwzględna (absolutna)- praca wykonana przez czynnik przy zmianie jego objętości. Jest to praca absolutna, bo wykonana w warunkach zerowego ciśnienia po zewnętrznej stronie tłoka: L1-2=cał od 1-2PdV Praca techniczna łączna praca wykonana przez idealny silnik tłokowy w czasie jednego cyklu roboczego składającego się z: - napełniania substancją roboczą, - przemiany w systemnie zamkniętym, - opróżnienia cylindra z substancji roboczej; Lt1-2=Lnap+L1-2+Lopr = - cał od 1-2*VdP [kJ] L1-2 = L1-2/m = - cał od 1-2VdP (rys.) ...9... Sformułować równanie bilansu energii dla układu zamkniętego (podać matema wyrażenie I ZT). W odosobnionym układzie ciał otoczonym osłoną adiabatyczna. Całkowita energia w nim zawarta jest wielkością niezmienną (energia nie może ulec zniszczeniu ani powstać z niczego) - energia zmienia jedynie powstać: ED=ΔE+EW, gdzie ΔE -energia w stanach, EW- energia wyprowadzona; System zamknięty znajdujący się w spoczynku nie ma energii kinetycznej, energia potęcjalna nie ulega zmianie. Jedynym rodzajem energii jest energia wewnętrzna. Bilans energi w którym energia jest doprowadzana na sposób ciepła w ilości Q1-2 i sprowadzana na sposób pracy w ilości L1-2; Q1-2=U2 - U1 + L1-2 = ΔU1,2 +L1,2; po podzieleniu przez m i zróżniczkowaniu: q1-2 = ΔU1-2 + L1,2 [kJ/kg]; dq= dU +dL, gdy wprowadzimy H=U+Pv [kJ], U1=H1 - P1v1, U2=H2 - P2v2, Q1-2= H2 - P2v2 - (H1- P1v1)+L1-2, Q1-2= H2 - H1+(P1v1+L1-2 - P2v2), Q1-2= ΔH1-2 + Lt1-2, w przemianie nieodwracalnej dq= du+vdP.
...10... Sformułować równanie bilansu energii dla maszyny przepływowej(podać matem wyrażenie I ZT). Granicę tego systemu przekracza nie tylko energia na sposób ciepła i pracy, ale również substancje: e = u+ ekin+ epot= u+ w2/2+g*y [kJ/kg], gdzie e- energia w kg masy; Bilans przeprowadza się dla d(tał). dLukł = PdV; dQ+dLukł +dm1 (u1+ ω12/2+gy1)= dEsyst+ dL + dLsyst+ dm2(u2+ ω22/2+ gy2); V=m*v; PdV=Pd(m*V)=Pvdm; dQ+ P1V1*dm1+ (u1+ ω12/2+ gy1) dm1= dEsyst+ dL+ P2v2* dm2 (u2+ ω22/2+ gy2)* dm2; u+ Pv=h; dQ+ (h1+ ω12/2+ gy1) dm1= dEsyst+ dL+ (h2+ ω22/2+ gy2)* dm2; w przypadku stanu ustalonego w czasie: Q(*)+ m(*)*(h1+ ω12/2+ gy1)= L(*)+ m(*)*(h2+ ω22/2+ gy2); Q(*)=m(*)[(h2 -h1)+ (ω22 - ω12)/2+ g(y2 - y1)]+ L(*) [kW]; ...11... Co to jest termiczne równanie stanu czynnika termodynamicznego? Równaniem stanu nazywa się związek między parametrami określającymi stan ciała fizycznego. Dla ciała prostego jest to zależność funkcyjna między P,T,V; Termiczne r-nie stanu można odwzorować za pomocą pow. termicznych w ukł. P,V; Prawo Boyle'a-Mariotta głosi ze przy stałej temperaturze iloczyn ciśnienia i objętości własciwej gazu jest wielkością stałą P1V1= P2V2; Prawo Guy-Lusac głosi ze przy stałym ciśnieniu zachodzi zależność Pv=R*T; v=V/m; Równanie stanu gazu doskonałego lub półdoskonałego o masie m [kg], PV= mRT; ...12... Zdefiniować gaz doskonały, półdoskonały i rzeczywisty. a) gaz doskonały 1)spełnia dokładnie prawa gazowe (prawo Clapeyrona, Avogadro, Daltona), 2)ma stałe ciepło właściwe zależne tylko od rodzaju przemiany a niezależne od P i T. Statystycznie to gaz który spełnia warunki 1)objętość własna drobin jest b mała w porównaniu z V naczynia w jakim się znajduje , 2)siły międzydrobinowe są pomijalnie małe 3)energia rozkłada się równo na wszystkie stopnie swobody ruchu postępowego obrotowego drobin nie ma drgań atomów w drobinie; b) gaz rzeczywisty - wykonuje odchylenie od praw gazowych i mają ciepła własciwe uzależnione od rodzaju przemiany, temperatury i ciśnienia (za gaz doskonały uznaje się każdy gaz pod wysokim ciśnieniem oraz gaz o temperaturze niższej od temp. Krytycznej nazywany parą nasyconą); c) gaz półdoskonały- spełnia również prawa gazowe ale wykazuje wzrost ciepła właściwego z temperaturą - spowodowany niezachowaniem 3go warunku; ...13... Jaką wartość ma uniwersalna i indywidualna stała gazowa? .uniwaesalna stała gazowa R^(fala nad R)=MR=8.31451[kJ/ kmol*K]- iloczyn masy molowej i stałej gazowej. Indywidualna stała gazowa R=PV/T; ...14... Co to jest r-nie przemiany termodynamicznej? Czynnik termodynamiczny może przejść z jednego stanu do drugiego w zupełnie swobodny sposób, ale dla konkretnie wybranej przemiany istnieje tylko jedna droga po krzywej przemiany, właśnie które opisuje równanie. Równaniom mogą podlegać wszystkie substancje. Jeden parametr nie ulega zmianie w czasie, pozostałe zmieniają się w sposób który wynika z danego r-nia. Przemiany: a) izobaryczna - P=const, V1/T1= V2/T2; b)izotermiczna - T=const, P1*V1=P2*V2; c) izochoryczna - V=const, P1/T1=P2/T2; d) politropa - P1V1υ= P2V2υ= PVυ= const, gdzie υ=(C - CP)/(C - CR); e) adiabatyczna - czynnik nie pobiera ciepła z zewnątrz ani nie oddaje;
...15... Jakie jest znaczenie praktyczne przemiany izotermicznej, adiabaty odwracalnej i politropy ? a) p. izotermiczna odgrywa role przemiany porównawczej, najbardziej ekonomicznej, ale trudnej do realizacji np. sprężanie gazów przebiega przy najmniejszym wkładzie pracy jeżeli chłodzenie jest doskonałe i temp gazu podczas sprężania nie podnosi się dlatego sprawność rzeczywistych sprężarek chłodzonych oblicza się porównując je z doskonałymi sprężarkami izotemicznymi.Q1-2=L1-2=Lt1-2 doprowadzone ciepło w całości idzie na wykonanie pracy Eterm gazu = const. b) p. adiabatyczna - nie ma wymiany ciepła z otoczeniem dQ=dQ22+dQw adiabata rzeczywista nie może być odwracalna ponieważ występuje tarcie(im mniejsze tym bardzie zbliża się do izentropy) izentrope stosuje się jako porównanie z adiabatami rzeczywistymi c)p.politropowa w praktyce przyjmuje się za politropową (każde dwa stany czynnika termodynamicznego można połączyć politropą) ułatwia to obliczenie pracy i ciepła, zwykle nie jest ściśle spełnione pVn = idem (n-idem); ...16... Opisać efekty energetyczne obiegu silnika cieplnego ziębiarki i pompy grzejnej. Zdefiniować sprawność energetyczną obu maszyn. Obieg lewobierzny jest obiegiem ziębiarki lub pompy grzejnej. Ziębiarka pobiera ciepło Qd ze źródła o temp niższej niż temp otoczenia (co jest jej zadaniem), pobiera pracę i oddaje ciepło Qw do źródła o temp wyższej od otoczenia. Pompa grzejna służy do ogrzewania pomieszczeń lub urządzeń przemysłowych. Pobiera ona ciepło Qd z otoczenia, pobiera pracę napędową i oddaje ciepło Qw do źródła o temp wyższej od temp otoczenia a) Sprawność energetyczna obiegu ziębiarki jest to stosunek ciepła Qd pobranego z przestrzeni ziębionej do pracy napędowej |Lob| (praca napędowa jest liczbowo równa bezwzględnej wartości pracy wykonanej w obiegu ziębiarki). εz=Qd/|Lob|=Qd/(Qw-Qd). Sprawność energetyczna obiuegu ziębiarki może być większa lub mniejsza od jedności b) Sprawność energetyczna obiegu pompy grzejnej jest to stosunek ciepła Qw, oddanego do ogrzewanej przestrzeni, do pracy napędowej |Lob|. εg=Qw/|Lob|=Qw/(Qw-Qd). Sprawność energetyczna obiegu pompy grzejnej jest zawsze większa od jedności. ...17... Wyjaśnić znaczenie obiegu Carnota w termodynamice. Obieg Carnota ma duże znaczenie w analizach i rozważaniach termodynamicznych (składa się z 2 adiabat i 2 izoterm) może być obiegiem prawo lub lewo bieżnym. (rys P-V) Podczas ekspansji czynnik pobiera qd ze źródła gorącego o temp. TI następuje ekspansja adiabatyczna odwracalna 4-1 temperatura obniża się do wartości jaką ma dolne źródło g. Następnie następuje izotermiczna kompresja (czynnik oddaje ciepło qw), dalej kompresja adiabaty nieodwracalnie podwyższa temperaturę do T1 aby uzyskać największą sprawność siłowni należy jak najbardziej zbliżyć do obiegu Carnota. Jest on najprostrzym obiegiem odwracalnym między dwoma źródłami ciepła o stałych temperaturach. ηc= Lob/qd = (qd - qw)/qd = 1 - qw/qd = 1- Tmin.Δs/Tmax.Δs; ηc= 1 - Tmin/Tmax; ε= qd/ |Lob| = qd/(|qw| - qd) = Tmin.Δs/ (Tmax - Tmin)Δs; ε= Tmin/ (Tmax - Tmin); (rys T-s);
...18.... Zdefiniować perpetuum mobile drugiego rodzaju i wymienić dwa przykładowe słowne sformułowania drugiej zasady termodynamiki (II ZT). PM II- urządzenie które oddawałoby tyle samo energii na sposób pracy ile pobrałoby na sposób ciepła. Sformułowanie Kelina-Plancka- niemożliwe jest zbudowanie silnika który działając cyklicznie nie wywoływałby innych zmian (w systemie i otoczeniu)prócz schładzanie jednego źródła ciepła i wykonywania (równoważnej) pracy. Clausiuse- energia cieplna nie maże (samorzutnie) przenosić się z ciała o temp. niższej do ciała o temp. wyższej; Ostwela - PM II nie istnieje; ...19... Definicja entropii oraz sposób ustalania kierunku przepływu ciepła w układzie T-s. Entalpia jest to f-kcja stanu wprowadzona przez Clausiusa. Jest miarą nieodwracalności procesu. ds (def)=dQ(*) / T[kJ/K]; Po prawej stronie jest elementarnie małe ciepło dQo nie będące różniczką zupełną, lecz wyrażeniem różniczkowym Pfaffa-cała prawa strona staje się jednak różniczką zupełną dzięki zastosowaniu czynnika całkującego 1/T. S= TocałkaT dQ(*)/T + So S= i=1suman Si. Entropia jest wielkością addytywną, tzn. dla systemu ciał entropia tego systemu jest sumą entropii bezwzględnych wg poszczególnych ciał tworzących system. Entropia określona jest dla ciała będącego w równowadze wewnętrznej -krzywa przemiany jako drogę na mapie przypisuje się + polu leżącemu po prawej ręce osoby wędrującej po tej drodze bo ds.>0 wiec dq>0; ...20... Jak można za pomocą wzoru matematycznego wyrazić drugą zasadę termodynamiki (II ZT)? Za pomocą entropii można sformułować wzór matematyczny określający kierunek przebiegu wszystkich zjawisk przyrody. Weźmy pod uwagę elementarna przemianę czynnika termodynamicznego w układzie zamkniętym. Załóżmy że sciamy naczynia w którym zamknięty jest czynnik, nie biorą udziału w przemianie. Jeżeli przemiana przebiega odwracalnie, ciepło tarcia jest równe zero(dQf=0),natomiast temp. jest równatemperaturze Tżr żródła ciepła. Przyrost entropi czynnika wynika ze wzoru dS=dQ/T a przyrost entropi żrudła ciepła dSŻR=-dQ/TŻR suma przyrostów entropii wszystkich ciał uczestniczących w zjawisku dΠ=dS+dSŻR suma entropii w zjawiskach nieodwracalnych stale zwiększa się w czasie trwania zjawiska. ...21... Wyjaśnić znaczenie obiegów porównawczych oraz przedstawić w układach P-v, i T-s obieg Diesla, Otto i Joule'a. Obieg wyidealizowany, przebiegający bez tarcia, nazywa się obiegiem porównawczym-w sposób uproszczony odwzorowują procesy odbywające się w rzeczywistych urządzeniach działających cyklicznie. Tworzy się obiegi porównawcze tłokowych silników spalinowych, silników turbogazowych, silników z regeneracja ciepła oraz lewobieżny obieg porównawczy chłodziarki gazowej, obieg Diesla- obieg porównawczy dla silników wysokoprężnych.Otto-dla spalinowych ZI Joulea -chłodziarki gazowej;siłowni turbinowo-spalinowej.
...22... Podać definicje egzergii i wymienić składniki bilansu egzergii. Egzergia- jest to praca maksymalna jaką można otrzymać z ciała fizycznego dążącego na drodze przemian odwracalnych do równowagi z otoczeniem, przy elementarnym wykorzystaniu bezwartościowego ciepła z otoczenia.. Nie podlega ona prawu zachowania, dlatego część energii znika (zużywa się). Bd=L+Bw+ΔB, Bd - egzergia doprowadzona, Bw - egzergia wyprowadzona, ΔB - straty energii. Egzergię Bd częsci układu zawartej wewnątrz osłony kontrolnej oblicza się podług wartości B wyznaczonej dla strugi: Bz=B-V(p-pot), V,p - objętość i ciśnienie w rozpatrywanej części układu, pot - ciśnienie otoczenia. Przy badaniu procesów fizycznych i chemicznych wystarczy uwzględnić egzergię termiczną oraz egzergię kinetyczną i potencjalną: B=Bk+Bp+Bt=G(1/2*c2+g*H+bt), c - prędkość bezwezględna strugi w stosunku do otoczenia, H - wysokość środka masy strugi, bt - egzergia termiczna właściwa. Egzergię termiczną można podzielić na egzergię fizyczną Bf i egzergię chemiczną Bch. Bt=Bf+Bch. ...23... Co to jest krzywa parowania w układzie P-T: Jest to jedna z krzywych przejścia, parowania, topnienia, sublimacji. Jest to część krzywej nasycenia, podporządkowuje każdej tmp. Odpowiednie ciśnienia nasycenia. Rozpoczyna się w punkcie potrójnym, a kończy w punkcie krytycznym. Przy izobarycznym ochłodzeniu gazu pod ciśnieniem niższym od krytycznego rozpoczyna się w dostatecznie niskiej tmp.chroplomit lub ponownie w miarę zbliżania się do K różnica gęstości pary i cieczy zmniejsza się aż do osiągnięcia w punkcie K wartości 0. Powyżej ciśnienia krytycznego ciecz przechodzi w gaz w jednej chwili. (Rys 23); ...24... Zdefiniować punkt potrójny i krytyczny: punkt Tr jest punktem potrójnym wyznaczającym te wartości temperatury i ciśnienia dla których współistnieją w równowadze 3 fazy: stała, ciekła i lotna. Krzywe przejścia spotykają się w punkcie potrójnym Tr. Przy izobarycznym ogrzewaniu ciała stałego pod ciśnieniem wyższym od ciśnienia pTr punktu potrójnego (linia 1-2) najpierw następuje topnienie ciała, potem zaś po podgrzaniu cieczy do dostatecznie wysokiej temperatury rozpoczyna się parowanie. Przy izobarycznym ogrzewaniu ciała pod ciśnieniem niższym od ciśnienia punktu potrójnego (linia I-II) po osiągnięciu dostatecznie wysokiej temperatury ciało to sublimuje tj. bezpośrednio przechodzi w stan pary. Jeżeli ciało stałe występuje w kilku odmianach alotropowych, to obszar ciała stałego w układzie p,T można podzielić na części dotyczące poszczególnych odmian. Te obszary częściowe są ograniczone krzywymi przejścia które spotykają się w punktach potrójnych. Punkt K jest punktem krytycznym odpowiadającym stanowi krytycznemu w którym gęstość cieczy jest taka sama jak gęstość pary. W punkcie K kończy się krzywa parowania. Przy izobarycznym ochłodzeniu par pod ciśnieniem niższym od krytycznego rozpoczyna się w dostatecznie niskiej temperaturze izotermiczne skraplanie. Na dnie naczynia gromadzi się ciecz, której gęstość jest wyraźnie większa od gęstości gazu (pary). W punkcie K różnica gęstości pary i gazu zmniejsza się - przejście cieczy w parę pod ciśnieniem krytycznym przebiega niepostrzeżenie bez zmiany gęstości. Ciepło parowania = 0. Dlatego przy ciśnieniach wyższych od krytycznego granica cieczy-para jest umowna.
...25... Zdefiniować stopień suchości pary nasyconej mokrej. Skład mieszaniny dwóch faz: cieczy i pary suchej nasyconej składających się na parę mokrą okręśla się za pomocą stopnia suchości pary mokrej. x=(def)=m”/(m'+m”) który jest udziałem masowym pary suchej nasyconej w mieszaninie. Stopień suchości x może przyjmować wartość w zakresie od x=0, kiedy m”=0 i mamy do czynienia z samą cieczą wrzącą, do x=1 lub m'=0 kiedy mamy tylko parę suchą nasyconą. ...26.... Wykres P-v i T-s - co to są krzywe graniczne: według wartości zaczerpniętych z tablic pary nasyconej można w układzie p,v nakreślić dwie krzywe: v'(p) oraz krzywą v”(p), są to tzw krzywe graniczne. Spotykają się one w punkcie krytycznym K, gdzie różnica między gęstością pary nasyconej suchej a gęstością cieczy staje się równe 0. Pomiędzy krzywymi granicznymi zawarty jest obszar pary nasyconej mokrej. Lewa krzywa graniczna (nazywana też dolną) jest miejscem geometrycznym punktów odpowiadającej stanowi cieczy wrzącej. Prawa krzywa graniczna nazywana też górną jest miejscem geometrycznym punktów odpowiadających stanowi pary suchej nasyconej. (Rys 26); ...27... Kaloryczne funkcje stanu pary nasyconej i przegrzanej. Energia-energia cieczy wrzącej U'=m'v'; energia pary suchej U”=m”v”; V=V'+V”=(m'+m”)u;u=v'+x(v”-v');Entalpia-H=H'+H”= m'h'+m”h”= (m'+m”)h; h=h'+x(h”-h')=h'+xr; Entropia- s=s'+s”=m's'+m”s”=(m'+m”)s; s=s'+x(s”-s'); ...28... Przemiany charakterystyczne pary nasyconej i przegrzanej. przemiana izotermiczna (f=const) P1=P2 T1=T2 para sucha l1-2=p(V2-V1)=p(x2-x1)(V”-V'); q1-2=(S2-S1)T=r(x2-x1)=h2-h1; l t1-2=0 para przegrzana l3-4=cał3-4(pdV)=q3-4-(V3-V4); l t3-4=cał3-4Vdp=q3-4-(h3-h4) - izobaryczna (p=const), (p-V) l3-4=p(V4-V3), (T-s) q3-4=cp(T2-T1)=h2-h1, Q=m(i2-i1) izochoryczna q1-2=V1-V2=(h2-p2V2)-( h1-p1V1)=( h2-p2V)-( h1-p1V); U2-U1=U'2+x1(U”2-U'2)-U'1+x1(U”1-U'1); V1=V2 ; x2=(V'1-V'2)/(V”2-V'2)+x1 (V”1-V'1)/( V”2-V'2) izentropowe. (Rys 28); ...29... Opisać konwencjonalną siłownię parową. Rysunek przedstawia uproszczony schemat konwencjonalnej siłowni parowej. Czynnik obiegowy pobiera w kotle parowym ciepło Qd (*) przekazywane przez gorące spaliny uzyskane po spaleniu paliwa. Do kotła dopływa woda o temp. T4 tłoczona przez pompę zasilającą. Wodę podgrzewa się w kotle do tem T1, a następnie odparowuje. Para z kotła płynie do silnika (najczęściej jest to turbina), gdzie rozpręża się adiabatycznie do ciśnienia p2. Następnie para płynie do skraplacza, gdzie oddaje ciepło Qw (*) skraplając się izobaryczno-izotermicznie. Ciepło Qw (*) przejmuje woda chłodząca, którą przetłacza przez skraplacz pompa wody chłodzącej [oddaje ciepło Qw (*) do otoczenia]. Najczęściej wodę obiegową podgrzaną w skraplaczu schładza się w chłodni kominowej. Podgrzane i wilgotne powietrze wewnątrz chłodni jest lżejsze od otaczającego powietrza atmosferycznego, dzięki czemu w dolnej części chłodni wytwarza się ciśnienie niższe od atmosferyczn. co powoduje stały dopływ powietrza.(Rys 29)
...30.... Obieg Clausiusa-Rankine'a dla pary nasyconej mokrej i przegrzanej. Obieg siłowni parowej powinien składać się z izobarycznego podgrzewania i parowania 4-1, rozprężania izentropowego pary nasyconej mokrej 1-2, z izobarycznego skraplania 2-1, oraz sprężania cieczy 3-4. W układzie T,s punkty 3 i 4 (stan cieczy przed sprężeniem i po sprężeniu) niemal pokrywają się, gdyż sprężenie cieczy od ciśnienia p2=p3 do ciśnienia p4=p1 wywołuje znikomy przyrost temperatury. Zazwyczaj punkty 3 i 4 zaznacza się w układzie T,s na linii x=0 i przyjmuje się że linia izobarycznego podgrzewania cieczy od temp T4 do T1 pokrywa się z linią graniczną x=0. W rzeczywistej siłowni rozprężenie adiabatyczne przebiega nieodwracalnie a podczas przepływu czynnika obiegowego przez wymiennik ciepła występuje strata ciśnienia. Obieg Clausiusa-Rankine'a można realizować w konwencjonalnej siłowni zasilanej paliwem chemicznym lub w siłowni jądrowej zasilanej paliwem jądrowym. (Rys 30); ...31... Sposoby zwiększania sprawności energetycznej obiegu siłowni parowej. a)podwyższenie temperatury przegrzania pary-równoważne jest z podwyższeniem temp. czynnika obiegowego b) wpływ ciśnienia pary dopływającej do turbiny-przy stałej temp zmniejszenie rozbieżności obiegu C-R z ob. Carnota c)z międzystopniowym przegrzaniem pary, turbina podzielona jest na część nisko i wysokoprężna d)obniżenie ciśnienia w skraplaczu e) stosowanie obiegów z wtórnym przegrzaniem pary (by ekspansja entropowa nie skończyła się na niedopuszczalnie niskim stopniu suchości) f) sprawność energetyczną obiegu siłowni parowej można zwiększyć poprzez zbliżenie go do obiegu Carnota - rozsunięcie skrajnych temperatur....32... Wymienić sposoby przekazywania ciepła. a) przewodzenie ciepła (w ciałach stałych, gazach i cieczach) - przekazywanie energii przez bezpośrednio stykające się drobiny i atomy lub przez dyfuzje swobodnych elektronów, występuje przeważnie w ciałach stałych. Strumień cieplny przekazywany przez ścianę Q=λ*Aw(tw1-tw2) /δ, Q=(tw1-tw2)/Rw, Rw= δ/ (λ*Aw), λ - przewodność cieplna, δ - grubość, Aw - pole powierzchni, Rw - opór b) konwekcja -tylko w cieczach i gazach - przenoszenie energii głównie przez przepływ drobin i mieszanie się strug o różnej temp., toważyszy mu przewodzenie ciepła c) promieniowanie - przekazywanie energii za pośrednictwem fal elektromagnetycznych wszystkich długości przede wszystkim fal o długościach 0,8-400μm (podczerwonych). Proces zachodzi między powierzchniami ciał stałych i cieczy poprzez ciała gazowe i próżnie. Strumień ciepła przenoszony przez promieniowanie Q(*)=5,67*A1[(T1/100)4-(T2/100)4], współczynnik przenikania ciepła dla ścianki płaskiej k=1/(1/α1+d/ λ+1/ λ2). ...33... Sformułować prawo Fouriera. podstawowe prawo przewodzenia ciepła. Strumień ciepła przewodzonego przez pole F wyodrębnionej wewnątrz ciała jest proporcjonalny do tego pola i do gradientu temp w kierunku normalnym do powierzchni F: Q(*)=-Fλ(Ət/Ən), λ - wsp. przewodzenia ciepła [W/m*k], t - temp w rozpatrywanym punkcie ciała, Ə/ Ən - pochodna w kierunku normalnej do powierzchni F. ...34... Zdefiniować opór przewodzenia ciepła przez przegrodę płaską i płaską wielowarstwową. Opór przewodzenia ciepła w przegrodzie rurowej jest określony wzorem: Rλ=[ln(r2/r1)]/[2πLλ]. Przy rozpatrywaniu przegrody cylindrycznej wielowarstwowej opory poszczególnych warstw można dodawać, gdyż strumień ciepła przepływa przez nie kolejno.
...36... Zdefiniować opór wnikania ciepła. Oporem wnikania ciepła nazywamy opór przepływu ciepła między strugą płynu a powierzchnią ściany. Opór ten występuje głównie przy powierzchni przegrody. Podczas przepływu płynu wzdłuż przegrody wytwarza się bowiem przy powierzchni przegrody laminarna warstwa przyścienna, w której czynniki płynu poruszają się równolegle do ściany. W warstwie tej przepływ ciepła przebiega tylko przez przewodzenie. ...37... Omówić rodzaje konwekcji. a) wymuszona - gdy prędkość przepływu strugi płynu wynika z działania sił zewnętrznych. Równanie kryterialne konwekcji wymuszonej: Nu=CreaPrb. Wartość współczynników liczbowych w równaniu kryterialnym nie zależą od stosowanego układu jednostek, liczby kryterialne są bowiem bezwymiarowe, a ich wartości zależą od sposobu przyjęcia charakterystycznych wartości fizycznych b) swobodna - ruch płynu powstaje samoczynnie na skutek działania sił wyporu. Konwekcja swobodna zwykle nakłada się na wymuszoną gdyż siły wyporu powstają zawsze wtedy gdy gęstość ciężaru płynu jest inna w warstwie przyściennej niż w rdzeniu. Jeżeli prędkość przepływu przy konwekcji wymuszonej jest duża to wpływ działania sił wyporu można pominąć. Rys 37a płyn podgrzany przez ścianę ma zmniejszoną gęstość ciężaru dlatego ma prędkość skierowaną ku górze, w zasadzie zmniejsza się ona z odległością od ściany. Przy powierzchni ściany wytwarza się jednak warstwa przyścienna, w której prędkość płynu zwiększa się od 0 do wartości maksymalnej. Podobieństwo pola prędkości przy konwekcji swobodnej jest określone liczbą Grashofa. Gr=gβΘl3/v2, g - przyśpieszenie grawitacyjne, β - współczynnik rozszerzalności objętościowej płynu, Θ - różnica tem powierzchni ściany i strugi płynu. ...38... Zdefiniować podobieństwo hydrodynamiczne i termodynamiczne. Podobieństwo hydrodynamiczne - występuje przy przepływie dwóch strug płynu wewnątrz przewodów o przekroju okrągłym. Jeżeli tzw. profil zredukowany jest identyczny przy przepływie jednakowym jest określona zależność W/W0=f(x/x0); W - lokalna prędkość w miejscu określonym wsp.x, Wo - prędkość charakt. np max, x0-charakt wymiar np. promień wewn. rury. Podobieństwo termodynamiczne - rozkład temp w dwóch strugach płynu spełnia warunki podob. termodynam. Jeżeli zredukowane profile są w obu przypadkach jednakowe. (T-∂)/(T0-∂)=ϕ(x/x0); T - lokalna temp płynu w miejscu o wsp.x, T0 - temp charakteryst. np w osi strugi, ∂ - charakteryst. temp ścianki kanału. W zjawiskach podobnych stosunek rozpatrywanych parametrów fizycznych obliczony dla odpowiednich sobie punktów ma wartość stałą. Stosunek ten nazywamy skalą podobieństwa. ...39... Wymienić i zdefiniować liczby podobieństwa występujące w równaniach kryterialnych konwekcji swobodnej i wymuszonej. Bezwymiarowe zespoły zbudowane z charakterystycznych wartości występujących w równaniu nazywają się liczbami podobieństwa lub kryteriami podobieństwa. Jeżeli kryteria podobieństwa mają tą samą wartość, równania różniczkowe z parametrami zredukowanymi mają identyczną postać i prowadzą do identycznych zredukowanych rozkładów parametrów fizycznych. Liczbę podobieństwa można zilustrować na przykładzie równania Newtona, K=m*dw/dτ, K - siła, m - masa, w - prędkość, τ - czas. a) liczba Reynoldsa Re=Wl/γ; b) liczba Pradtla Pr=Cpρν/λ c) liczba Nusselta Nu=αl/λ d) liczba Graschofa-Gr=gβθl3/ν2;β=1/V(δV/δT)-wsp.rozszezalności objętościowej płynu.
4,5,6,8,9,10,11,15,16,17,18,19,20,21,28,29,30,31,32,33,34,36