4 tmakr Termodinamikai alapok energiatalakts Tartalom 1 2

  • Slides: 65
Download presentation
4. témakör Termodinamikai alapok, energiaátalakítás

4. témakör Termodinamikai alapok, energiaátalakítás

Tartalom 1. 2. 3. 4. 5. 6. Fogalmak. A termodinamika főtételei. A termodinamika módszertana.

Tartalom 1. 2. 3. 4. 5. 6. Fogalmak. A termodinamika főtételei. A termodinamika módszertana. Energiafajták. Energiaveszteségek. Az energiaátalakítás leírása.

1. Fogalmak • Energiaátalakítás → „az energia nem vész el, csak átalakul” (energiamegmaradás). •

1. Fogalmak • Energiaátalakítás → „az energia nem vész el, csak átalakul” (energiamegmaradás). • Energiatermelés: hő- és villamosenergia-termelés. • Energiaveszteség: az energiaátalakítás velejárója → ellentmondás? → az adott, vizsgált energiaátalakítás szempontjából veszteség.

Fogalmak • Az energiaátalakítás folyamata és ezek leírása sokrétű, mert különböző energiatermelési, -átalakítási módok.

Fogalmak • Az energiaátalakítás folyamata és ezek leírása sokrétű, mert különböző energiatermelési, -átalakítási módok. • Leírása: – entalpia, – (exergia), – hőmérséklet-entrópia (Heller, Büki) szemlélettel.

Fogalmak • Az energiaátalakítás alaptörvényeit a termodinamika szolgáltatja: – egyensúlyi (termosztatika): az állapotváltozásokat statikusan,

Fogalmak • Az energiaátalakítás alaptörvényeit a termodinamika szolgáltatja: – egyensúlyi (termosztatika): az állapotváltozásokat statikusan, egyensúlyi kezdő- és végállapot alapján írja le, – nem egyensúlyi (irreverzibilis): a folyamatok idő és tér szerinti változásának egységes térelméleti leírására törekszik. • A termodinamika a transzportjelenségek egy általános fenomenologikus elméletének is tekinthető.

Fogalmak • Termodinamikai rendszer: az anyagi világ elhatárolt, makroszkopikus része, amelyben mechanikai, termikus és

Fogalmak • Termodinamikai rendszer: az anyagi világ elhatárolt, makroszkopikus része, amelyben mechanikai, termikus és kémiai transzportfolyamatok játszódhatnak le (egyszerű, ha erőterektől mentes, a falhatás elhanyagolható és nagyenergiájú részecskeáram nem éri. ) – Homogén: minden pontban azonos állapotjellemzők. – Inhomogén: az állapotjellemzők folyamatosan változnak.

Fogalmak – Heterogén: az állapotjellemzők ugrásszerűen változnak (pl. fázisváltozás). – (anyagilag) Zárt: a határfelületen

Fogalmak – Heterogén: az állapotjellemzők ugrásszerűen változnak (pl. fázisváltozás). – (anyagilag) Zárt: a határfelületen nincs tömegtranszport, de energiatranszport lehetséges. – Szigetelt: a határfelületen nincs tömeg- és energiatranszport. – Nyílt: a határfelületen együttes tömeg- és energiatranszport. – Adiabatikus: a határfelületen nincs hőtranszport, de környezetével mechanikai kölcsönhatásban van.

Fogalmak • Egyensúlyi (stacionárius) rendszer felépítése és folyamatai függetlenek az időtől. • Nemegyensúlyi (instacionárius)

Fogalmak • Egyensúlyi (stacionárius) rendszer felépítése és folyamatai függetlenek az időtől. • Nemegyensúlyi (instacionárius) rendszer felépítése és folyamatai az időben változnak. • A termodinamikai rendszer – állapotát, – kölcsönhatásait és – változásait az extenzív és intenzív mennyiségek jellemzik.

Fogalmak • Extenzív mennyiségek a rendszer kiterjedésével arányos, additív jellemzők: • Kölcsönhatások során az

Fogalmak • Extenzív mennyiségek a rendszer kiterjedésével arányos, additív jellemzők: • Kölcsönhatások során az extenzív jellemzők árama jön létre:

Fogalmak • Fontosabb extenzív jellemzők: – V, m, Mi=mi/Ni (moláris tömeg), – S, –

Fogalmak • Fontosabb extenzív jellemzők: – V, m, Mi=mi/Ni (moláris tömeg), – S, – Q, W, E, – U, H, – Q (elektromos töltés).

Fogalmak • Intenzív mennyiségek függetlenek a rendszer kiterjedésétől és nem additív jellemzők: – T,

Fogalmak • Intenzív mennyiségek függetlenek a rendszer kiterjedésétől és nem additív jellemzők: – T, p, μi, φ (elektromos potenciál). – A fajlagos extenzív mennyiségek (ρ=m/V, s=S/m, h=H/m) (másodlagos) intenzív jellemzők.

Fogalmak • A termodinamikai kölcsönhatásokban két mennyiség szerepel: • Termodinamikai hajtóerő: valamely intenzív mennyiség

Fogalmak • A termodinamikai kölcsönhatásokban két mennyiség szerepel: • Termodinamikai hajtóerő: valamely intenzív mennyiség inhomogénitásával arányos hatás, amely meghatározott extenzív mennyiség áramát idézi elő, ill. tartja fenn.

Kölcsönhatások jellemzői kölcsönhatás intenzív jellemző extenzív jellemző energia termikus T S TΔS mechanikai -p

Kölcsönhatások jellemzői kölcsönhatás intenzív jellemző extenzív jellemző energia termikus T S TΔS mechanikai -p V -pΔV kémiai μi Ni μiΔNi villamos φ Q φΔQ

Fogalmak • Transzportfolyamat: olyan kiegyenlítődési folyamat, amelyben valamely extenzív mennyiség árama az adott intenzív

Fogalmak • Transzportfolyamat: olyan kiegyenlítődési folyamat, amelyben valamely extenzív mennyiség árama az adott intenzív mennyiség fenntartott inhomogénitása következtében jön létre, ill. áll fenn. • Potenciálfüggvények: – Szabadenergia (F) – Helmholtz-potenciál, – Szabadentalpia (G) – Gibbs-potenciál.

Állapotfüggvények egymáshoz viszonyított nagysága egykomponensű rendszer H TS TS U p. V F p.

Állapotfüggvények egymáshoz viszonyított nagysága egykomponensű rendszer H TS TS U p. V F p. V G

2. A termodinamika főtételei • Nulladik főtétel: Az egyensúly szükséges és elégséges feltétele, hogy

2. A termodinamika főtételei • Nulladik főtétel: Az egyensúly szükséges és elégséges feltétele, hogy a rendszer valamennyi intenzív mennyisége homogén eloszlású legyen [Guggenheim, Fényes]. – A termikus egyensúly feltétele a a hőmérséklet térbeli állandósága. Az egyensúly a rendszerek tranzitív tulajdonsága.

Termodinamika főtételei • Első főtétel (az energia-megmaradás tétele): az energia nem keletkezhet és nem

Termodinamika főtételei • Első főtétel (az energia-megmaradás tétele): az energia nem keletkezhet és nem semmisülhet meg, csak egyik formából a másikba alakulhat át. Gibbs fundamentális egyenlete:

Termodinamika főtételei • Zárt rendszerben, ahol a tömeg nem változik (d. Ni=0):

Termodinamika főtételei • Zárt rendszerben, ahol a tömeg nem változik (d. Ni=0):

Termodinamika főtételei • Második főtétel (a termodinamikai folyamatok tendencia törvénye): a folyamat mindig a

Termodinamika főtételei • Második főtétel (a termodinamikai folyamatok tendencia törvénye): a folyamat mindig a kisebb valószínűségű állapotból a nagyobb valószínűségű állapotba tart. – A termodinamikai rendszer állapota termodinamikai valószínűséggel (W) jellemezhető. – Az egyensúlyában megzavart, majd magára hagyott rendszer a valószínűbb állapotok felé tart (W nő), s annál nagyobb sebességgel minél nagyobb a rendszeren belüli inhomogénitás. – Egyensúlyi állapotban W=max.

Termodinamika főtételei • Termodinamikai valószínűség S(W)=S entrópia [Clausius, 1865]: • Az entrópia extenzív mennyiség,

Termodinamika főtételei • Termodinamikai valószínűség S(W)=S entrópia [Clausius, 1865]: • Az entrópia extenzív mennyiség, ezért S 1 és S 2 az egyensúlyi rendszer entrópiái, k=1, 38. 10 -23 J/K (Boltzmann-állandó).

Termodinamika főtételei • Azt, hogy a termodinamikai folyamatok a kisebb valószínűségű állapotból a nagyobb

Termodinamika főtételei • Azt, hogy a termodinamikai folyamatok a kisebb valószínűségű állapotból a nagyobb valószínűségű állapotok felé tartanak, az entrópianövekedés (d. S>0) fejezi ki. • A természetben minden zárt makroszkopikus folyamat megfordíthatatlan (irreverzibilis). → A reverzibilis (megfordítható) folyamat tehát fikció.

Carnot körfolyamat T T 1 K E T 2 SK=co nst SE=co nst S

Carnot körfolyamat T T 1 K E T 2 SK=co nst SE=co nst S

Termodinamika főtételei • A II. főtételhez kapcsolódó ideális Carnot körfolyamat (izotermikus hőközlés (T 1)

Termodinamika főtételei • A II. főtételhez kapcsolódó ideális Carnot körfolyamat (izotermikus hőközlés (T 1) és hőelvonás (T 2), izentropikus (adiabatikus) kompresszió (s. K=const) és expanzió (s. E=const)) fikció, melynek hatásfoka az adott hőmérséklethatárok között elérhető maximális hatásfok.

Termodinamika főtételei • Harmadik főtétel: A tapasztalatok szerint az abszolút nullapont közelében [Nerst, 1906]:

Termodinamika főtételei • Harmadik főtétel: A tapasztalatok szerint az abszolút nullapont közelében [Nerst, 1906]: – Minden kémiailag homogén kondenzált anyag entrópiája az abszolút nullapontban nulla lenne, ST=0=0 [Plank]. – Az abszolút nullapontot nem lehet elérni, T≠ 0 [Nerst].

3. A termodinamika módszertana • Az egyensúlyi termodinamika állapotokat vizsgál, a folyamatok időbeli változását

3. A termodinamika módszertana • Az egyensúlyi termodinamika állapotokat vizsgál, a folyamatok időbeli változását nem. • A termodinamikai folyamat lezajlása csak közvetve, a kezdeti és végső állapot, valamint az eltelt idő ismeretében írható le. → A tényleges folyamat csak kvázifolyamatként kezelhető (feltételezve, hogy az állapotváltozás a rendszer minden pontjában azonos). • Fiktív esete a végtelenül kis sebességgel lezajló reverzibilis folyamat.

Termodinamika módszertana • A nemegyensúlyi termodinamika mozgásegyenlete [Onsager, 1931]: j=1…n, intenzív jellemző inhomogénitásából származó

Termodinamika módszertana • A nemegyensúlyi termodinamika mozgásegyenlete [Onsager, 1931]: j=1…n, intenzív jellemző inhomogénitásából származó Xj termodinamikai hajtóerő által létrehozott i-ik extenzív jellemző fluxusát lineáris törvények fejezik ki (fenomenologikus leírás), Lij vezetési tényező.

Termodinamika módszertana • A nemegyensúlyi termodinamikai folyamatok entrópia- vagy energiareprezentációban jellemezhetők: – entrópia-reprezentációban a

Termodinamika módszertana • A nemegyensúlyi termodinamikai folyamatok entrópia- vagy energiareprezentációban jellemezhetők: – entrópia-reprezentációban a térfogat- és időegységre jutó entrópia-produkció, – energia-reprezentációban a térfogat- és időegységre jutó energia-produkció

Termodinamika módszertana • A termodinamika mozgásegyenlete az általánosított Ohm-törvénynek tekinthető, mely alapját képezi az

Termodinamika módszertana • A termodinamika mozgásegyenlete az általánosított Ohm-törvénynek tekinthető, mely alapját képezi az anyag- és energiahálózat leírásának. • A termodinamikai folyamatok addig mehetnek végbe, amíg be nem áll a termodinamikai egyensúly. • A termodinamikai folyamatok irányát – az entrópia (s)-maximumra, ill. – az energia (u, h, f, g)-minimumra való törekvés elve határozza meg.

4. Energiafajták • • Tüzelőanyagok „kötött” energiája. Hő. Munka. Villamos energia. Energiaáram = Teljesítmény.

4. Energiafajták • • Tüzelőanyagok „kötött” energiája. Hő. Munka. Villamos energia. Energiaáram = Teljesítmény. Az energiaátalakítás folyamatainál csak állandósult energiaáramokkal, teljesítményekkel foglalkozunk!

4. 1. Tüzelőanyagok kémiailag kötött energiája • Az égés p≈const megy végbe: – Égéshő

4. 1. Tüzelőanyagok kémiailag kötött energiája • Az égés p≈const megy végbe: – Égéshő (ΔHé): a tüzelőanyagot tiszta oxigénben égetjük el: – Felső égéshő: az égéstermékek között a víz folyadékfázisban van (ΔHé+mvr). – Alsó égéshő: az égéstermékek között a víz gőzfázisban van (ΔHé).

Tüzelőanyagok kémiailag kötött energiája • Fűtőérték: • Tüzelőhő-teljesítmény: • Tüzelőhő:

Tüzelőanyagok kémiailag kötött energiája • Fűtőérték: • Tüzelőhő-teljesítmény: • Tüzelőhő:

Fosszilis tüzelőanyagok fűtőértéke • Szénhidrogének: – kőolaj: ≈42 MJ/kg, – földgáz: ≈34 MJ/Nm 3

Fosszilis tüzelőanyagok fűtőértéke • Szénhidrogének: – kőolaj: ≈42 MJ/kg, – földgáz: ≈34 MJ/Nm 3 → ≈47 MJ/kg, • PB gáz ≈ 45 MJ/kg. – szén: • • 26 -28 MJ/kg (antracit), 20 -25 MJ/kg (kőszén), 12 -18 MJ/kg (barnaszén), <10 MJ/kg (lignit).

4. 2. Hő • A termikus kölcsönhatásnál T intenzív, S extenzív jellemző. • A

4. 2. Hő • A termikus kölcsönhatásnál T intenzív, S extenzív jellemző. • A hőmérséklet a közeg molekuláinak energiáját fejezi ki: – – – mo egy molekula tömege, a molekulák sebességnégyzetének átlaga, Ro=8, 31 J/mol. K, A=6, 022. 1023 (Avogadro-szám), k=Ro/A=1, 38. 10 -23 J/K (Boltzmann-állandó).

Hő • Hő: • Hőteljesítmény: transzportmennyiség (Δ), s nem energiafajta.

Hő • Hő: • Hőteljesítmény: transzportmennyiség (Δ), s nem energiafajta.

Hő • A hő (helytelenül!), de általánosan használva hőenergia.

Hő • A hő (helytelenül!), de általánosan használva hőenergia.

4. 2. 1. Hőmérséklet • A hőmérséklet (T) intenzív jellemző, állapothatározó. • A hőhordozó

4. 2. 1. Hőmérséklet • A hőmérséklet (T) intenzív jellemző, állapothatározó. • A hőhordozó közeg, a hőátadó felület hőmérséklete a hőközlés/hőelvonás és a hőtranszport során változik, ezért: – termodinamikai átlaghőmérséklet (termikus-mechanikai energia átalakítások vizsgálatánál), – logaritmikus vagy transzport átlaghőmérsékletkülönbség (hőátvitelnél).

Termodinamikai átlaghőmérséklet b b T a T=Ts a p=áll a b cp=áll Ts=áll

Termodinamikai átlaghőmérséklet b b T a T=Ts a p=áll a b cp=áll Ts=áll

Termodinamikai átlaghőmérséklet • Energiaátalakításoknál általában T=var, de p≈const (izobar hőközlés/hőelvonás).

Termodinamikai átlaghőmérséklet • Energiaátalakításoknál általában T=var, de p≈const (izobar hőközlés/hőelvonás).

Termodinamikai átlaghőmérséklet

Termodinamikai átlaghőmérséklet

Transzport átlag-hőmérsékletkülönbség T Tsa Tsb Tsa ΔTn=ΔTk Ta 1 ΔTk ΔTn Tki Ta 2

Transzport átlag-hőmérsékletkülönbség T Tsa Tsb Tsa ΔTn=ΔTk Ta 1 ΔTk ΔTn Tki Ta 2 Tbe ΔTn 1 . maca. macb Tb 2 Tb 1 cp=áll Ts=áll S

Transzport átlag-hőmérsékletkülönbség

Transzport átlag-hőmérsékletkülönbség

4. 3. Munka • A mechanikai kölcsönhatásnál p intenzív, V extenzív jellemző. A nyomás

4. 3. Munka • A mechanikai kölcsönhatásnál p intenzív, V extenzív jellemző. A nyomás (p) intenzív jellemző, állapothatározó. • A mechanikai kölcsönhatás eredményeként létrejövő fizikai munka: szintén transzportmennyiség (Δ), s nem energiafajta.

Munka • A (hasznos) technikai munka figyelembe veszi a munkaközeg (belső égésű motorok, gáz-

Munka • A (hasznos) technikai munka figyelembe veszi a munkaközeg (belső égésű motorok, gáz- és gőzturbina) be- és kilépését): • Technikai teljesítmény (haladó és forgó mozgásnál)

Munka • A hajtás mechanikai energiája:

Munka • A hajtás mechanikai energiája:

4. 4. Villamos energia • Villamos energia: • Villamos teljesítmény:

4. 4. Villamos energia • Villamos energia: • Villamos teljesítmény:

Villamos energia • Villamos energia: • A villamos energiával a hajtás, a hő, és

Villamos energia • Villamos energia: • A villamos energiával a hajtás, a hő, és a világítás, információtechnika energiaigénye egyaránt kielégíthető.

5. Energiaveszteségek • Energiaveszteségek: – mennyiségi, – minőségi, – összetett (mennyiségi és minőségi egyaránt).

5. Energiaveszteségek • Energiaveszteségek: – mennyiségi, – minőségi, – összetett (mennyiségi és minőségi egyaránt).

5. 1. Mennyiségi veszteségek • A bevitt energia (Qbe) egy része a vizsgált rendszerből

5. 1. Mennyiségi veszteségek • A bevitt energia (Qbe) egy része a vizsgált rendszerből a környezetbe távozva elvész (Qv), de a megmaradó hasznos energia (Qh) minőségi jellemzői nem változnak, vagy változásukkal nem számolunk (a vizsgálat szempontjából érdektelen). • Energiamérleg:

Sankey-diagram

Sankey-diagram

Mennyiségi veszteségek • Kiadott energia: • Háziüzemű, ill. önfogyasztásnak megfelelő hatásfok (ε-önfogyasztási tényező):

Mennyiségi veszteségek • Kiadott energia: • Háziüzemű, ill. önfogyasztásnak megfelelő hatásfok (ε-önfogyasztási tényező):

5. 2. Minőségi veszteségek • Irreverzibilis veszteségek (termikusmechanikai energiaátalakításnál!): Az energiaátalakítás hővel kapcsolatos folyamataiban

5. 2. Minőségi veszteségek • Irreverzibilis veszteségek (termikusmechanikai energiaátalakításnál!): Az energiaátalakítás hővel kapcsolatos folyamataiban többnyire olyan veszteségek lépnek fel, amelyeknél a hő mennyisége ugyan változatlan, de állapotjellemzői (p, t) úgy változnak meg, hogy a hő a munkavégzés szempontjából kisebb értékűvé válik. • Irreverzibilis alapfolyamatok: – hőcsere, – fojtás, – keveredés.

Hőcsere: elgőzölögtető T Tsa Tsb ΔSa ΔSb S ΔSirr

Hőcsere: elgőzölögtető T Tsa Tsb ΔSa ΔSb S ΔSirr

Hőcsere: kondenzáció T Tsa Tsb Tki. mc Tbe T ΔSa ΔSb S ΔSirr

Hőcsere: kondenzáció T Tsa Tsb Tki. mc Tbe T ΔSa ΔSb S ΔSirr

Hőcsere: konvektív T Ta 1 Ta mc. a Tb 2 Ta 2 . mcb

Hőcsere: konvektív T Ta 1 Ta mc. a Tb 2 Ta 2 . mcb Tb Tb 1 ΔSa ΔSb S ΔSirr

Fojtás: minden munkavégzés nélküli nyomáscsökkenés (pa→pb, h=const, Δh=0) h a h=const b pa pb

Fojtás: minden munkavégzés nélküli nyomáscsökkenés (pa→pb, h=const, Δh=0) h a h=const b pa pb ΔSirr S

Keveredés: különböző hőmérsékletű közegek p=const nyomáson történő összekeverése T 2 Tk 1 ΔSirr S

Keveredés: különböző hőmérsékletű közegek p=const nyomáson történő összekeverése T 2 Tk 1 ΔSirr S

6. Az energiaátalakítás leírása • Koncentrált paraméterekkel és időben állandósult folyamatokkal számolunk. • Hő-technikai

6. Az energiaátalakítás leírása • Koncentrált paraméterekkel és időben állandósult folyamatokkal számolunk. • Hő-technikai munka átalakítást (termikus és mechanikai kölcsönhatások együtt lépnek fel!) kvázifolyamatként kezeljük, energetikai jellemzőit a kezdő- és végjellemzőkből határozzuk meg.

6. 1. Entalpia-szemlélet • Legelterjedtebb, alapja a termodinamika első főtétele. • Egyensúlyi hőközlés/hőelvonás közelítően

6. 1. Entalpia-szemlélet • Legelterjedtebb, alapja a termodinamika első főtétele. • Egyensúlyi hőközlés/hőelvonás közelítően p≈const (Δp≈0), a közölt/elvont hőteljesítmény:

Entalpia-szemlélet

Entalpia-szemlélet

Entalpia-szemlélet h 1 2 2 o Δsirr s=const s

Entalpia-szemlélet h 1 2 2 o Δsirr s=const s

Entalpia-szemlélet • Az egyensúlyi expanzió/kompresszió rendszerint adiabatikusnak ( ), izentrópikusnak (s 12=const) tekinthető. Ekkor

Entalpia-szemlélet • Az egyensúlyi expanzió/kompresszió rendszerint adiabatikusnak ( ), izentrópikusnak (s 12=const) tekinthető. Ekkor a kinyert/befektetett technikai teljesítmény expanziónál:

6. 2. Exergia-szemlélet • Exergia: • Anergia: • Nem foglalkozunk vele.

6. 2. Exergia-szemlélet • Exergia: • Anergia: • Nem foglalkozunk vele.

6. 3. Hőmérséklet-entrópia szemlélet • Alapja a hőáram értelmezése. • Intenzív mennyiség a termodinamikai

6. 3. Hőmérséklet-entrópia szemlélet • Alapja a hőáram értelmezése. • Intenzív mennyiség a termodinamikai átlaghőmérsékletek. • Hőközlés/hőelvonás:

Hőmérséklet-entrópia szemlélet

Hőmérséklet-entrópia szemlélet

Hőmérséklet-entrópia szemlélet • Alapja a technikai teljesítmény értelmezése. • Expanzió:

Hőmérséklet-entrópia szemlélet • Alapja a technikai teljesítmény értelmezése. • Expanzió: