Htan Kiegszts BMEGEENATMH 2 A termodinamika fttelei 3
Hőtan - Kiegészítés BMEGEENATMH 2. A termodinamika főtételei 3. Az ideális gáz. Állapotváltozások
2. 2. - 0. főtétel A termodinamikai egyensúly: makroszkopikusan változatlan (nyugvó) rendszer intenzív állapotjelzők homogén eloszlásúak Kölcsönható rendszerek egyensúlya intenzív áh-k azonossága és falak átjárhatósága ARNOLD SOMMERFELD (1868– 1951) 1951: „A hőmérséklet egyenlősége feltétele két rendszer vagy egy rendszer két része közötti termikus egyensúlynak”
2. 3. - I. főtétel: az energia megmaradása A felfedezés útja 1. , az „angol út” JAMES PRESCOTT JOULE (1818 -1889) mérések munka-hő egyenérték „Abban a hitben, hogy a pusztítás ereje egyedül a Teremtő birtoka, teljességgel egyetértek Roget-val és Faraday-jel azon véleményüket illetően, hogy bármely elmélet, amely a gyakorlatba ültetve az erő megsemmisítését kívánja meg, szükségszerűen téves. ”
2. 3. - I. főtétel: az energia megmaradása 2. a „francia út” (racionális mérnöki iskola) a legjobb gép (hőerőgép) keresése NICOLAS CARNOT és fia NICOLAS LÉONARD SADI CARNOT (1796 -1832) a hő-munka átalakítást vizsgálták második főtétel GUSTAVE CORIOLIS munka fogalom, munka és mozgási energia kapcs.
2. 3. - I. főtétel: az energia megmaradása 3. , a „német út”, a „metafizikai út” élő szervezetek vizsgálata JULIUS ROBERT VON MAYER (1814 -1878) (eredetileg orvos, az is maradt) HERMANN L. F. HELMHOLTZ (1821 -1894) (eredetileg orvos, később fizikus)
2. 3. - I. főtétel: az energia megmaradása Robert Mayer: „ 1840 nyarán a Jáva szigetére újonnan megérkezett európaiakon végrehajtott érvágásoknál azt tapasztaltam, hogy a kar vénájából eresztett vérnek majdnem kivétel nélkül föltűnően vörös színe volt. Ez a jelenség magára vonta teljes figyelmemet. Kiindulván a Lavoisier égés-elméletéből, mely az állati hőt égésfolyamatnak tulajdonítja, azt a kettős színváltozást, melyet a vér a kicsiny és a nagy körfutás hajszáledényeiben szenved, úgy tekintettem, mint a vérrel végbemenő oxidácziónak érzékileg észrevehető jelét, látható reflexusát. Az emberi test állandó mérsékletének megtartására kell, hogy annak hőfejlesztése a hő veszteségével, tehát a környező médium mérsékletével is szükségképen bizonyos értékviszonyban álljon s ennélfogva kell, hogy mind a hőtermelés és az oxidáczió- folyamat, mind pedig mind a két vérnemnek színkülönbsége a forró égöv alatt egészben véve kisebb legyen mint a hidegebb vidékeken. ”
2. 3. - I. főtétel: az energia megmaradása Robert Mayer, 1842: „Az erők okok, és így azokra teljes mértékben alkalmazható az alaptétel: causa aequat effectum. Ha a c ok okozata e, akkor c = e; ha e ismét az oka egy másik f okozatnak, akkor e = f stb. c = e = f. . . = c. Az okok és okozatok egy láncolatában, mint ahogy az egyenlet természetéből következik, sohasem válhat egy tag vagy egy tag egy része nullává. Minden ok első tulajdonsága tehát az elpusztíthatatlansága. Ha az adott c ok létrehozta a vele egyenlő e hatást, ezzel c egyúttal megszűnt létezni; c tehát e-vé vált. Ha e létrehozása után c egészen vagy részben még megmaradt volna, úgy ezen visszamaradó oknak további okozat kellene hogy megfeleljen; c okozata tehát e kellene hogy legyen ellentétben c = e feltevésünkkel. Így, minthogy c e-be, e f-be stb. megy át, ezeket a mennyiségeket egy és ugyanazon objektum különböző megjelenési formáinak kell tekintenünk. Az a képesség, hogy különböző formákat tud felvenni, a másik lényeges tulajdonsága minden oknak. A két tulajdonságot összefoglalva mondhatjuk: az okok kvantitatíve elpusztíthatatlanok és kvalitatíve változékony objektumok. ” Az erő (energia): elpusztíthatatlan és változékony (átalakítható).
2. 3. Belső energia, Entalpia, Munka, Hő q Extenzív állapothatározók: belső energia (aktivitás), U [J]: a részecskék tömegközéppontra vonatkoztatott Ekin & Epot összegeként adódik. entalpia (hőtartalom), H=U+p. V [J]: nyitott átáramlott rdsz. energiája, az áttolási munkával növelt belső energia q Folyamatjellemzők: Munka: TDR határfelültén fellépő energiatranszport mennyiség, amit a kölcsönhatáshoz tartozó és a T-től különböző intenzív állapotjelzők inhomogenitása hoz létre. • Erő x erő irányú elmozdulás (fizikában) • Elemi térfogat változási munka: d. W = F dx = -p A dx = -p d. V F TDR: p, V dx A Hő: a TDR határfelületén fellépő tömegkölcsönhatás nélküli energiatranszport mennyiség, amit a T eloszlás inhomogenitása indukál
2. 3. Fizikai (térfogat változási) / technikai / áttolási munka Fizikai munka: Technikai munka: p p 1 = áll wf wt Áttolási munka – belépési ~: – kilépési ~: wbe wki 1 p 2= áll 2 v 1 = áll v 2 = áll T 2= T 1 v
2. 3. Mozgó-nyugvó TDR energiája, I. FőT. TDR ω TDR z Kö Kö z 0 zárt: ΔEtot= ΔU+ ΔEkin+ ΔEpot = Q+Wfiz ΔU=Q+Wfiz nyitott: ΔEtot= ΔH+ ΔEkin+ ΔEpot = Q+Wtech ΔH=Q+Wtech
2. 5. - III. főtétel �Az „elérhetetlenség” �Walther Nernst (1864 -1941), kémiai Nobel-díj: 1920 �Nem lehetséges egy rendszer hőmér- sékletét véges sok lépésben 0 K-re csökkenteni. (1912) �A rendszer entrópiája konstans értékhez tart, ha a hőmérséklete a 0 K-hez közelít. �maradvány vagy konfigurációs entrópia
4. 1. 3. 0. Belső hatásfok Kompresszor Turbina T T 2 2* 1 Wrev 1 Wval 2* Wval 2 S Állandó fajhőjű ideális gázokra = tökéletes gázokra S Wrev
4. 1. 2. 1. Stirling-körfolyamat (1816) https: //www. youtube. com/watch? v=agxnm. PFFNyc A B - B dugattyú a B henger végébe tereli a gázt, ahol azt kívülről melegítik, a melegített gáz nyomása megnő, az A dugattyút tolva munkát végez, B dugattyú előre van nyomva, a gázt a motor bordázott részébe tolja, ahol az lehűl. Robert Stirling (1790 -1878) skót vallási vezető exp an zió (izo ter m) kom pr. (i zote rm) hőelvonás (izochor) T-s diagram a táblán! hőközlés (izochor) külső égésű motor egyenértékű a Carnot-körfolyamattal
4. 1. 2. 2. ERICSSON-körfolyamat (1853) külső égésű motor egyenértékű a Carnot-körfolyamattal John Ericsson (1803 -1889) svéd-amerikai gépészmérnök https: //www. youtube. com/watch? v=0 dqr. Rp. V 76 sk https: //www. youtube. com/watch? v=io 4 KTNp. H 5 c 4 A. isoterm (T 1=T 2) kompresszió p 1 => p 2 (V 1 => V 2) : Qle B. isobar (p 2 = p 3) melegítés T 1 (=T 2) => T 3 (regenerátor felhasználásával, a D lépésben betárolt hővel) C. isoterm (T 3=T 4) p 2=>p 1, expanzió (munka) & Qfel D. isobar lehűtés (a hőt regenerátorba betároljuk) T 3 => T 1 p-V diagram a táblán!
4. 1. 2. 3. Lenoir-körfolyamat (1858, 1860) belsőégésű motor üzemanyag: széngáz nincs kompresszió alacsony hatásfok II. VH: Pulzáló sugárhajtómű Jean Joseph Étienne Lenoir belga mérnök (1822 -1900)
4. 1. 2. 3. Lenoir-körfolyamat (1858, 1860) nz c ió iab (ad s lé z ö s) ku 1 hőelvonás (izobár) o (iz k ő h ati hőközlés (izochor) pa ex ) r ho 3 h lv őe o s ná r) expanzió (adiabatikus) 2 (i á zob (0 - 1 Állandó nyomású (izobár) állapotváltozás: szívás --> elhanyagolva 1 - 2 Égés állandó térfogaton (izochor): nő a nyomás és a hőmérséklet --> hőbevezetés 2 - 3 Az égéstermékek adiabatikus expanziója --> munkavégzés (3 - 0 Állandó nyomású állapotváltozás: égéstermékek kitolása. )— elhanyagolva, helyette: 3 -1 Állandó nyomáson (izobár) hőelvonás
4. 1. 2. 4. Otto-körfolyamat (1861, 1862) belsőégésű, négyütemű szikragyújtású motor szabadalom: 1861 működő gép: 1862 https: //www. youtube. com/watch? v=mva. Kc 64_54 o Alphonse Beau de Rochas (1815 -1893) francia mérnök Nikolaus August Otto (1832 -1891) német mérnök Helyettesítő Otto-körfolyamat és termikus hatásfoka: figyeljük a táblát!
4. 1. 2. 4. OTTO-körfolyamat termikus hatásfoka
4. 1. 2. 4. OTTO-körfolyamat termikus hatásfoka �Levezetés a kompresszió viszonnyal p 3 pcs 2 4 1 Vmin vagyis: Vmax V
Oktánszám: kompressziótűrés A mérendő benzint izooktánból (izooktán-C 8 H 18) és n-heptánból (C 7 H 16) komponált keverékkel hasonlítják össze. A mérendő benzinnel kompressziótűrés szempontjából azonos tulajdonságokkal rendelkező keverék térfogatszázalékban megadott izooktán tartalmát nevezzük a benzin oktánszámának. Kísérleti oktánszám: RON (Research Octane Number A világon legáltalánosabban elterjedt oktánszám mérési eljárás. Ellenőrzött körülmények között 65, 6 °C hőmérsékletű üzemanyagot fecskendeznek be egy 600 fordulat/perc fordulatszámmal járó nagy teljesítményű egyhengeres tesztmotorba, és így nézik a kompressziótűrését. Motoroktánszám: MON (Motor Octane Number) A mai modern, illetve a repülésben használt motorokban jellemzőbb viszonyok tesztelésére találták ki a motoroktánszám mérését. A különbség az, hogy a befecskendezett előmelegített üzemanyag hőmérséklete magasabb, 148, 9 °C, valamint a tesztmotor fordulata is másfélszerese a kísérleti oktánszámmérésnél használtnak, 900 fordulat percenként. A mérési módszerből adódóan a motoroktánszám (mintegy tíz egységgel) kisebb a kísérleti oktánszámnál. Izooktán: Nomál heptán:
4. 1. 2. 5. Atkinson-körfolyamat (1882, 1887) ATKINSON-körfolyamat (1882, 1887) az expanzió- és a kompresszióviszony különböző magasabb hatásfok az Otto-motorhoz képest James Atkinson (1846– 1914) brit mérnök
4. 1. 2. 5. Atkinson-körfolyamat (1882, 1887) Atkinson-körfolyamat „Forgódugattyús” Atkinson-körfolyamat Wankel forgódugattyús motor https: //www. youtube. com/watch? v=VJov. ISGj. K 24
4. 1. 2. 5. Diesel-körfolyamat (1897) Rudolf Christian Karl Diesel (1858 -1913) https: //www. youtube. com/watch? v=DZt 5 x. U 44 If. Q Diesel-körfolyamat termikus hatásfoka: figyeljük a táblát!
4. 1. 2. 5. DIESEL-körfolyamat termikus hatásfoka
4. 1. 2. 5. DIESEL-körfolyamat termikus hatásfoka �Levezetés a kompresszió viszonnyal p pcs 2 3 4 1 Vmin Vek vagyis: Vmax V
Cetánszám: öngyulladási hajlandóság A mérendő gázolajat cetán (n-hexadekán C 16 H 34) és α-metil-naftalin (C 11 H 10) komponált keverékkel hasonlítják össze. A cetán könnyen az α-metil-naftalin nehezebben gyullad. A mérendő gázolajjal öngyulladási hajlandóság szempontjából azonos tulajdonságokkal rendelkező keverék térfogatszázalékban megadott cetán tartalmát nevezzük a benzin cetánszámának. α-metil-naftalin: cetán: Könnyen gyullad, de a téli hidegben kikristályosodik, ezért a téli gázolajba adalékok szükségesek
Otto / DIESEL termikus hatásfok összehasonlítás Otto-körfolyamat: Diesel-körfolyamat: Otto üzemi tartomány >1, mert rv, e>1 és κ>1
4. 1. 3. Többgépes körfolyamat � 4. 1. 3. 1. Brayton-körfolyamat
4. 1. 3. 1. BRAYTON-körfolyamat (1872) George Brayton (1830 -1892) amerikai gépészmérnök Eredeti ötlet: John Barber, 1791
Gázturbina BRAYTON-körfolyamatot megvalósító gép https: //www. youtube. com/watch? v=j. Rn 1 DR 0 Pm. RE
Gázturbina
BRAYTON-körfolyamat Brayton-körfolyamat szerinti gázturbina elvi felépítése https: //www. youtube. com/watch? v=j. Rn 1 DR 0 Pm. RE
BRAYTON-körfolyamat Brayton-körfolyamat helyettesítő kapcsolása P-V és T-s diagramja, és termikus hatásfoka: figyeljük a táblát!
BRAYTON-körfolyamat termikus hatásfoka Ábra adatai: T 1=300 K , T 3=1400 K, rp, opt=14, 82
BRAYTON-körfolyamat termikus hatásfoka �Levezetés a nyomásviszonnyal p pmax pmin 2 3 1 4 V vagyis:
Valóságos BRAYTON-körfolymat
Valóságos BRAYTON-körfolymat HATÁSFOK NÖVELÉS: REGENERÁCIÓ, REKUPERATÍV HŐCSERE EXTRA
Valóságos BRAYTON-körfolymat HATÁSFOK NÖVELÉS: TÖBBLÉPCSŐS KOMPRESSZIÓ ÉS EXPANZIÓ EXTRA
- Slides: 38