Fyzika plynů - Mólové množství a vlastnosti

Prednáška č. 1 - Termomechanika

• Prednáška o termomechanike na Strojníckej fakulte Technickej univerzity v Košiciach
• Prednáša doc. Ing. Natália Jasminská, PhD.
• Termomechanika je základný vedný odbor, ktorý zahŕňa termodynamiku (teoretickú, technickú a chemickú) a prenos tepla (vedením, prúdením a žiarením).
• Zaoberá sa získavaním, premenami a transportom energie pri zohľadňovaní účinnosti jej využitia.
• Zahŕňa zákony popisujúce premenu tepelnej energie na iné druhy energie.

Základné pojmy - Termodynamická sústava

• Termodynamická sústava je súhrn látok v priestore ohraničenom kontrolnou plochou.
• Oblast' mimo sústavy sa nazýva okolie.
• Sústava môže prechádzať' termodynamickými zmenami.
• Medzi sústavou a okolím dochádza k výmene tepla a práce.
• Môže tiež dôjsť k zmene hmotnosti sústavy.

Rozlišovanie termodynamických sústav

• Uzavretá - žiadny hmotnostný tok cez kontrolnú plochu, iba výmena tepla.
• Otvorená - hmotnostný tok cez kontrolnú plochu, výmena tepla a hmoty.
• Izolovaná - žiadny tok hmoty alebo tepla cez kontrolnú plochu.
• Homogénna - vlastnosti sú v celej sústave rovnaké.
• Heterogénna - sústava má rozdielne oblasti s rozdielnymi vlastnosťami.

Základné pojmy - Rovnaha

• Mechanická rovnováha - sily medzi sústavou a okolím sú v rovnováhe.
• Tepelná rovnováha - nedochádza k prenosu tepla medzi sústavou a okolím (teploty sú rovnaké).
• Chemická rovnováha - vnútorná štruktúra a chemické zloženie sústavy sa nemení.

Základné pojmy - Stavy látok

• Stav látky je daný stavovými veličinami.
• Rozlišujeme skupenstvá: pevné, kvapalné, plynné.
• Ideálne plyny - riadia sa zákonmi pre ideálne plyny a majú vlastnosti nezávislé od tlaku.
• Nedokonalé plyny - riadia sa zákonitosťami pre ideálne plyny, ale nemajú nezávislé vlastnosti.
• Reálne plyny - sa od ideálnych odlišujú svojimi vlastnosťami a to predovšetkým pri skvapalňovaní.

Základné pojmy - Stavové veličiny

• Teplota - základná fyzikálna veličina, ktorá určuje tepelný stav telesa, súvisia tlak a objem.
• Tlak - sila F pôsobiaca kolmo na jednotkovú plochu S.
• Objem - veľkosť priestoru sústavy.
• Látkové množstvo - udáva hodnotu úmernú počtu atómov alebo molekúl a jednotkou je 1 mol.
• Vzťah medzi termodynamickou a celziovou teplotou.
• Meranie tlaku sa uskutočňuje tlakomermi, ktoré rozdeľujeme na barometre, manometre a vákuometre.

Zákony ideálnych plynov

• Avogadrov zákon - hmotnosti rovnakých objemov sú úmerné ich molovým hmotnostiam.
• Gay-Lussacov zákon - objem ideálneho plynu je priamo úmerný absolútnej teplote.
• Boyleov-Mariottov zákon - absolútny tlak ideálneho plynu je nepriamo úmerný objemu, ak je teplota konštantná.

Stavová rovnica

• Stavová rovnica je rovnica, ktorá prepojuje stavové veličiny pre ideálny plyn.

Zmeny stavu v p-V diagrame

• Rozdeľovanie zmien stavu na vratné a nevratné.
• Charakteristika diagramu pre zmenu stavu.
• Rozdelenie základných vratných procesov: izochorická, izobarická, izotermická, adiabatická a polytropická.

Izochorická zmena

• Izochorický proces je zmena stavu pri konštantnom objeme.
• Práca pri izochorickom procese je nula.
• Teplo, ktoré sa dodáva sa využíva na zmenu vnútornej energie.

Izobarická zmena

• Izobarický proces je zmena stavu pri konštantnom tlaku.
• Vzťah medzi stavovým objemom a teplotou sa riadi Charlesovým zákonom.
• Práca pri izobarickom procese je definovaná ako plocha pod krivkou v p-V diagrame,
• Teplo potrebne pre izobaricky priebeh je dané vzťahom Q=m⋅cp⋅∆T.

Izotermická zmena

• Izotermický proces nastáva pri konštantnej teplote.
• Boyleov-Mariottov zákon definuje priebeh izotermické zmeny.
• Práca pri izotermickom procese sa vypočítava pomocou integralu.
• Privedené teplo sa rovná prácen vykonanej pri izotermickej zmene.

Adiabatická zmena

• Adiabatický proces nastáva pri absencii výmeny tepla s okolitým prostredím.
• Poissonova konštanta popisuje adiabatickú zmenu.
• Práca pri adiabatickej zmene sa vypočítava integráciou.
• Zmena vnutornej energie sa vypočíta pomocou rovnice du= m. cv . dT.

Polytropická zmena

• Polytropický proces je zmena stavu so vzťahom medzi tlakom a objemom daným rovnicou p .V n = konšt.
• Merná entalpia sa počíta z rovnice: h = c p . T

II. Zákon termodynamiky

• Entropia izolovanej sústavy stúpa pri všetkých prirodzených procesoch.
• Teplo nemôže samovoľne prechádzať od chladnejšieho telesa k teplejšiemu.

Zmesi Ideálnych Plynov

• Vlhký vzduch je zmes suchého vzduchu a vodnej pary.
• Obsah vlhkosti vo vzduchu sa vyjadruje relatívnou vlhkostí.
• Vlhkost' vzduchu sa môže určiť pomocou rôznych vzorcov a diagramu.

Vlhký vzduch - Rosný bod

• Vzťah medzi teplotou a relatívnou vlhkosťou vzduchu.

Porovnávacie tepelné obehy turbín

• Clausius-Rankinov parný obeh, Braytonov obeh plynovej turbíny.

Chladiace obehy

• Charakteristika obrátených procesov
• Rovnako ako pri chladiacich zariadeniach aj tepelných čerpadlách sa teplo prenáša z jednoho prostredia do druhého.
• Chladív patrí napríklad čpavok, oxid uhličitý alebo metylchlorid.
• Chladiace médium sa vyberá na základe jeho závislosti teploty varu od tlaku.

Referenčný stav vody

• Kvapalinové teplo
• Výparnié teplo
• Vnútorná energia sýtej vody
• Entalpia sýtej vody
• Entropia sýtej vody

Prehriata para

• Prehrievacie teplo
• Merná entalpia prehriatej pary

Základné procesy v oblasti pár

• Izobarický proces
• Izotermický proces
• Izoentropický proces