Uvod v Termofluidiko

Uvod v Termofluidiko

• Termofluidika je veja znanosti, ki proučuje notranjo energijo in pretok tekočin
• Tekočina se definira kot snov, ki teče
• Strižne mehanske napetosti povzročajo tok
• V mirujoči viskozni tekočini ni strižnih napetosti
• Kapljevina je snov, ki lahko kaplja, ima gladino, in je težko stisljiva
• Plin je snov brez gladine, ki se razširja v razpoložljivem prostoru
• Termofluidika uporablja koncepte iz termodinamike, prenosa toplote in mehanike tekočin

Ključni Koncepti Termodinamike

• Termodinamika je veja fizike o interakcijah temperature, tlaka in prostornine v sistemih
• Proučuje prevajanje toplote v delo in obratno
• Ničti zakon termodinamike definira temperaturo
• Prvi zakon termodinamike pravi, da energije ni mogoče ustvariti ali uničiti
• Drugi zakon termodinamike pravi, da pri pretvorbi toplote v delo nekaj energije izgubimo
• Tretji zakon termodinamike pravi, da je absolutna ničla (0K) nedosegljiva

Prenos Toplote in Mehanika Tekočin

• Prenos toplote zajema vse mehanizme za izmenjavo toplote med fizikalnimi sistemi
• Prevajanje toplote je izmenjava toplote zaradi trkov delcev
• Prenašanje toplote (konvekcija) je izmenjava toplote zaradi premikanja delcev
• Sevanje je prenos toplote prek elektromagnetnega valovanja
• Mehanika tekočin preučuje tekočine in sile nanje
• Razdeli se na statiko (mirovanje), kinematiko (gibanje) in dinamiko (vpliv sil na gibanje)

Termodinamski Sistemi in Spremenljivke

• Termodinamski sistem je del snovi, dovolj velik za definiranje termodinamskih spremenljivk
• Odprt sistem izmenjuje maso z okolico
• Zaprt sistem ne izmenjuje mase z okolico
• Adiabaten sistem ne izmenjuje toplote z okolico
• Kontrolni volumen je del prostora, ki ga analiziramo
• Integralna analiza uporablja kontrolne volumne primerljive z velikostjo sistema
• Diferencialna analiza uporablja manjše kontrolne volumne za natančnejše razločevanje sprememb
• Intenzivne spremenljivke (tlak, gostota, temperatura) ostanejo enake pri delitvi sistema
• Ekstenzivne spremenljivke (masa, množina snovi, volumen) se spremenijo pri delitvi sistema
• Specifične spremenljivke so razmerja med ekstenzivno spremenljivko in maso

Enote Množine Snovi in Prostornine

• Kilomol (kmol) je enota za množino snovi, ki vsebuje toliko delcev, kot je atomov v 12 kg ogljika 12C
• To število imenujemo Avogadrovo število Na = (6,02217 ± 0,00012) · 1026 kmol-1
• Atomska masa A (kg/kmol) je masa 1 kmol čistega elementa
• Molska masa M (kg/kmol) je masa 1 kmol čiste spojine
• Kubični meter (m3) je enota za prostornino
• Specifični volumen v je razmerje med prostornino in maso sistema
• Molski volumen vm je razmerje med prostornino in množino snovi v sistemu

Tlak in Termodinamično Stanje

• Tlak je razmerje med silo in površino
• Absolutni tlak je tlak okolice, merjen z barometrom
• Nadtlak je relativni tlak nad tlakom okolice, merjen z manometrom
• Podtlak je relativni tlak pod tlakom okolice, merjen z vakuummetrom
• 1 Pa je osnovna enota za tlak, definirana kot Pa = Nm-2
• 1 bar = 105 Pa
• 1 atm = 101325Pa, približno zračni tlak na morski gladini
• 1 torr je hidrostatski tlak 1 mm stolpca živega srebra, 1torr = 98066,5 Pa
• Termodinamično stanje je določeno z merljivimi lastnostmi sistema, imenovanimi spremenljivke stanja
• Ravnovesno stanje je termodinamično stanje, kjer sistem vztraja brez zunanjih motenj

Enačba stanja in Idealni plin

• Enačba stanja povezuje termodinamične spremenljivke sistema v ravnovesju, npr. V = V(p,T)
• Linearizirane enačbe stanja se lahko zapišejo pri majhnih odmikih od danega stanja
• Primer linearizirane enačbe stanja: dV/V = βdT − χT dp
• Idealni plin je poenostavljen model plina z enačbo stanja pV = nRT
• R je splošna plinska konstanta (8314.46261815324 J kmol-1 K-1) in T je absolutna temperatura
• Idealni plin velja pri nizkih tlakih in visokih temperaturah

Temperatura in Lestvice

• Ničti zakon termodinamike določa, da imajo sistemi v termičnem ravnovesju enako temperaturo
• Temperaturna skala je definirana s plinskim termometrom
• Temperaturne lestvice vključujejo Kelvinovo (osnova), Celzijevo, Fahrenheitovo, in Rankineovo
• Kelvinova lestvica definira T, s stopnjo določeno s trojno točko vode
• Celzijeva lestvica: θ = T - 273.15
• Fahrenheitova lestvica (USA): f = (9/5)θ + 32
• Rankineova lestvica (USA): r = (9/5)T

Termodinamični Procesi in Energija

• Proces je sprememba termodinamskega stanja zaradi zunanjega vpliva
• Kvazistatični proces poteka prek ravnovesnih stanj
• Krožni proces vrne sistemu začetno stanje
• Povračljiv proces se lahko povrne v začetno stanje brez sprememb v okolici
• Termodinamična preobrazba je predstavitev procesa v prostoru sistemskih spremenljivk
• Prvi zakon termodinamike pravi, da se energija ohranja
• Popisuje se z enačbo Ev - Eiz + Egen = ΔEshr

Oblike Energije in Notranja Energija Idealnega Plina

• Mehanska energija komponent sistema
• Notranja energija je povezana z gibanjem osnovnih delcev snovi
• Notranja energija idealnega plina je vsota kinetičnih energij vseh delcev
• Izražena z U = N * (mv^2)/2, kjer je N število delcev, m masa delca, in v povprečna hitrost delca
• Formula se lahko izrazi direktno preko temperature
• Izrazava: U = (3/2) * N * kB * T
• kB je Boltzmannova konstanta
• Za bolj kompleksne pline je treba upoštevati vibracijske in rotacijske prispevke

Delo v Termodinamiki

• Delo se izračuna kot dW = F * ds
• ΔW se izračuna kot integral F * ds
• V termodinamiki je delo, ki ga sistem prejme, negativno, delo, ki ga odda, pa pozitivno
• Volumsko delo se izračuna kot dW = pdV
• Možne so tudi druge oblike dela, npr
  • Sprememba površine (dA)
  • Enoosni razteg (dl)
  • Polnjenje akumulatorja (de)
  • Magnetnizacija (dM)

Toplota in Entalpija

• Toplota Q je del izmenjane notranje energije, ki ni izmenjana prek dela
• dU = dW + dQ
• Izmenjava toplote je posledica interakcij osnovnih gradnikov snovi na površini sistema z okolico
• Toplota teče v smeri padajoče temperature
• Entalpija je funkcija stanja, ki upošteva volumsko delo sistema na okolico
• Je uporabna za procese pri stalnem tlaku, kjer velja dH=dQ
• Poenostavljena oblika zapisa dH = dU + pdV

Specifična Toplota

• Pri konstantnem Volumnu cV (T, V ) = (∂u/ ∂T)V
• Definicija cp (T, V ) = (∂h/ ∂T)p za specifično toploto pri konstantnem tlaku
• Za idealni plin velja
  • cp (T ) = cV (T )+RM -RM = R/M - specifična plinska konstanta
• Za enoatomni idealni plin velja cV = (3/2)RM
• Dvoatomni cV = (5/2)RM.

Entropija in Termodinamski Zakoni

• Naravni procesi so nepovratni
• Toplota prehaja iz telesa z višjo temperaturo na telo z nižjo temperaturo
• Pri pretvorbi toplote v delo popoln izkoristek ni dosegljiv
• Sproščena definicija
  • Proces je povraten (proces je kvazistatičen)
    • Ni nobene spremembe v okolici
  • Nepovračljivi procesi: Histerezni pojavi, kemijske reakcije, fazne spremembe, transportni pojavi

Povezave in Entropiji

• Entropija je funkcija stanja
• Entropija sestavljenega sistema je vsota entropij sestavnih delov
• S=Σ Si
• Izražena kot* - s=S/m

Osnovni Zapisi Entropije

• TdS ≥ dU + pdV = dH − V dp = dQ
• Predpostavke
  • = velja za povratne procese

  • velja za nepovratne procese

• Entropija idealnega plina
  • Izražena prek temperature in tlaka
    • ∆s = cp ln(T2/T1) − R ln(p2/p1)
  • Izražena prek temperature in specif. volumna
    • ∆s = cp ln(T2/T1) + R ln(v2/v1) -Izražena prek tlaka in specif. volumna
    • ∆s = cv ln(v2/v1) + cv ln(p2/p1)

Preobrazbe in Toplotni Stroji

• Splošna Poliptropa
  • pvj = konst.
  • Možne izbire
    • Izohora
      • v = konst. (j = oo)
    • Izobara
      • p = konst. (j = 0)
    • Izoterma
      • pv = konst. (j = 1)
    • Izentropa
      • pvX = konst. (j = X)
    • Politropa
      • pv"= konst. (1
• Toplotni stroji so stroji za pretvarjanje notranje energije v delo
  • Fizikalno možno
  • Tehnično izvedljivo
  • Stroškovno ugodno
    • Okolju prijazno

Delovni Procesi

• Stirlingov cikel je obrnljiv, fleksibilen glede goriva, in uporablja He ali H kot delovni plin
  • Regeneracija je ključna za izboljšanje izkoristka
• Ottov cikel je notranje neobrnljiv proces z izkoristkom odvisnim od kompresijskega razmerja (8 < ε < 16)
  • Pri visokih razmerjih lahko pride do samovžiga
  • Praktični izkoristki 0.25–0.30
  • Dieselov cikel je notranje neobrnljiv proces - je odvisen od kompresijskega (12 < ε < 22) in obremenitvenega razmerja (1 < εo < 2.5)
    • Praktični izkoristki 0.35–0.40
    • Joule-Braytonov cikel, prav tako notranje neobrnljiv, ima izkoristek odvisen od tlačnega razmerja 5