THERMODYNAMICA Hoofdstuk 1 + 2

1. THERMODYNAMICAHoofdstuk 1 + 2 ing. Patrick Pilat lic. Dirk Willem

2. Algemene begrippen • Inleiding Belang van thermodynamica: • CV • Menselijk lichaam (comforteisen) • Verbrandingsmotoren, turbines … • Huishoudtoestellen (frigo, dvd-speler, pc …) • Ontwerpen van machines (afmetingen, materiaal, DT …) • …

3. Thermodynamica • Inleiding Thermodynamica  energie-wisseling  energieoverdracht Energiebronnuttige energie zon mechanische beweging wind (kin.energ.) brandstof elektriciteit Waterenergie (pot. energ.) warmte Nucleaire energie

4. Thermodynamica • Inleiding Enkele voorbeelden van energieomzettingen 1. Waterkrachtcentrale: potentiële energie watermassa → waterturbine → elek. en.

5. Thermodynamica • Inleiding Enkele voorbeelden van energieomzettingen 2. Klassieke thermische centrale: verbrandingswarmte → water naar stoom → stoomturbine→ elektrische energie

6. Thermodynamica • Inleiding Enkele voorbeelden van energieomzettingen 3. Kerncentrale: nucleaire energie → warmte → stoomproductie → elek. en.

7. Thermodynamica • Inleiding Enkele voorbeelden van energieomzettingen 4. Windmolen: kin. energie wind → elektrische energie

8. Thermodynamica • Inleiding Enkele voorbeelden van energieomzettingen 5. Zonnecentrale: zonne-energie→ elektrische energie PlantaSolar 10, Sanlucar la Mayor, Spanje: 11 MW

9. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen Stelsel Omgeving begrenzing T, p … gas Beïnvloeden elkaar

10. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen Open en gesloten systeem energietransport massatransport GESLOTEN systeem OPEN systeem

11. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen Open en gesloten systeem

12. transformeren transporteren Arbeid en/of warmte Algemene begrippen • Inleiding • begrippen Energie ?  capaciteit om arbeid te verrichten • BEHOUD VAN ENERGIE (1ste Hoofdwet v/d thermodynamica) energie in een stelsel kan op ≠ manieren opgeslagen worden Potentiële energie kinetische energie

13. Epot Epot Ekin Algemene begrippen • Inleiding • begrippen Energie ? Energie  transformeren

14. Epot Epot Epot Ekin Algemene begrippen • Inleiding • begrippen Energie ? Energie  transformeren  transporteren Wrijving  Warmte naar omgeving

15. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen Energie ? Energiebezit  macroscopische energie  microscopische energie (niet zichtbaar) Etot =Ekin + Epot + U [kJ of J]

16. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen Energie ? Energiebezit  macroscopische energie  microscopische energie (niet zichtbaar) etot =ekin + epot + u etot = Etot / m [kJ/kg of J/kg]

17. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen Energie ? Energiebezit  macroscopische energie  microscopische energie (niet zichtbaar) = inwendige energie vb’n ∆U: - verwarmen van een voorwerp - samendrukken van een gas

18. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen Energie ? Energiebezit Energietransport  WARMTE

19. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen Energie ? Energiebezit Energietransport  WARMTE (Q of q) uitwisseling t.g.v. DT Men kan nooit zeggen dat een systeem een hoeveelheid warmte bezit  systeem bezit een hoeveelheid energie die men kan overdragen in de vorm van warmte Toestandsverandering  adiabatisch (Q = 0)  isothermisch (T = cte)

20. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen Energie ? Energiebezit Energietransport  WARMTE Q (in J) q = Q / m (in J/kg) (in W of kW) Q+ Q- stelsel

21. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen Energie ? Energiebezit Energietransport  WARMTE (Q of q)  ARBEID (W) elektrische arbeid: We = U.I.DT mechanische arbeid: W = ∫ F.ds arbeid van een veer: Wveer = ½ . k. (x2² - x1²) Volumearbeid: WV = afh. van toestandsverandering

22. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen Energie ? Energiebezit Energietransport  WARMTE (Q of q)  ARBEID (W)

23. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen Energie ? Energiebezit Energietransport  WARMTE (Q of q)  ARBEID (W) W- W+ stelsel Q en W zijn energie-interacties tussen stelsel en omgeving. Stelsel kan energie bezitten maar GEEN Q en/of W

24. Toestand van stelsels • Inleiding • begrippen • Toestand van • stelsels Toestandsgrootheden:  waarnemingen op macroscopische verschijnselen  zijn meetbaar (m, V, T, p) Twee soorten toestandsgrootheden:  Intensieve toestandsgrootheid: onafhankelijk van de grootte van het stelsel (p, T, u, …)  Extensieve toestandsgrootheid: afhankelijk van de grootte van het stelsel (V, U, …)

25. Toestand van stelsels • Inleiding • begrippen • Toestand van • stelsels Toestand van een stelsel: = toestandsgrootheden hebben een welbepaalde waarde  stabiele toestand (evenwichtstoestand)  onstabiele toestand Toestandsverandering: wijziging van 1 of meerdere toestandsgrootheden

26. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen • Toestand van • stelsels Toestandsverandering: m = 2 kg °t1 = 20°C V1 = 1,5 m³ m = 2 kg °t1 = 20°C V1 = 2,5 m³

27. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen • Toestand van • stelsels Bijzondere toestandsverandering: T = cte (isotherme toestandsverandering) P = cte (isobare toestandsverandering) V = cte (isochore toestandsverandering) Q = 0 (adiabatische toestandsverandering) ! Isotherm niet verwarren met adiabaat !

28. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen • Toestand van • stelsels Evenwichtige of quasi-statische toestandsverandering Begintoestand eindtoestand evenwicht Niet in evenwicht toestandsverandering evenwicht

29. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen • Toestand van • stelsels Voorbeeld massa toestand 1 toestand 2

30. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen • Toestand van • stelsels Voorbeeld niet evenwichtige toestandsverandering p 1 1 en 2 zijn evenwichtstoestanden 2 V

31. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen • Toestand van • stelsels Voorbeeld evenwichtige toestandsverandering p 1 2 V

32. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen • Toestand van • stelsels Reversibele toestandsveranderingen = omkeerbare toestandsverandering die evenwichtig verloopt voorwaarden: evenwichtig + wrijvingsloos perfect omkeerbare toestandsverandering (wrijvingsloos) = praktisch nooit mogelijk

33. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen • Toestand van • stelsels Geïsoleerd stelsel = geïsoleerd van invloeden van de omgeving (Q = 0, W = 0)  toestandsverandering door onevenwicht ≠ thermisch geïsoleerd stelsel (Q = 0)

34. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen • Toestand van • stelsels Soortelijke warmte = hoeveelheid energie om 1kg van een stof 1°C te laten ↑ c = afh. van T en p

35. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen • Toestand van • stelsels Soortelijke warmte = hoeveelheid energie om 1kg van een stof 1°C te laten ↑ c = afh. van T en p afh. van de soort warmtetoevoer  cp of cv Bij cte p wordt W geleverd  cp > cv

36. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen • Toestand van • stelsels Ideale gassen voor alle gassen met voldoende lage r  eenvoudig verband tussen p, v en T  ideale gassen (specifieke voorwaarden) Toestandsverandering  eenvoudig verband: p . V = n.Ru.T (Ru : universele gasconstante) stelsel met m kg ideaal gas p . V = (m/M).Ru.T (M: molaire massa) p. V = m.R.T (R = Ru/M:specifieke gasconstante)

37. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen • Toestand van • stelsels Ideale gassen stelsel met m kg ideaal gas p. V = m.R.T (R :specifieke gasconstante) specifiek volume: v = V/m (in m³/kg) p. v = R.T

38. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen • Toestand van • stelsels Oefeningen: Hoe lang duurt het om 1 liter water van 60°C door middel van een waterkoker (1000W) te laten koken? CH2O = 4,185 kJ/kg.K

39. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen • Toestand van • stelsels Oefeningen: Wanneer je 50 liter water van 40°C mengt met 150 liter water van 80°C. Wat is dan de temperatuur van het gemengd water?

40. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen • Toestand van • stelsels Oefeningen: We koelen een stalen blok (3 kg) van 650°C in een oliebad (100kg, 10°C) af. De temperatuur van de olie stijgt met 6°C. Cstaal = 0,5 kJ/kg.K Colie?

41. Algemene begrippen • Inleiding • begrippen • Toestand van • stelsels Oefeningen: Een compressor zuigt lucht aan op een druk gelijk aan 1 atm. Tijdens de compressie van de aangezogen lucht blijft de temperatuur 27°C, maar het volume wordt 5X kleiner. Wat is het einddruk van de lucht en hoeveel duidt de manometer aan van de compressor. (opl. 4,052 bar)