Koncept & Teori Flashcards
Vad innebär 1:a huvudsatsen?
Termodynamikens första huvudsats säger att energi varken kan skapas eller förstöras, bara omvandlas. Detta är grundkomponenten i alla termodynamiska beräkningar och relaterar ett systems olika energier till varandra.
Vad innebär 0:e huvudsatsen?
Termodynamikens nolte huvudsats säger att om två kroppar var för sig är i termisk jämvikt med en tredje kropp, är de även i termisk jämvikt med varandra. Denna lag är basen för validationen för all sorts temperaturmätning och är en följd av termodynamikens andra huvudsatser.
Vad innebär fasövergångar?
När vi pratar om fasövergångar eller olika medier överlag i denna kursen och beräkningar som görs i den antas alltid att mediet som behandlas är rent, d.v.s. inte innehåller föroreningar eller är en blandning av olika ämnen med olika egenskaper (rena substanser).
I grund och botten är skillnaden mellan faser det samma som skillnaden i hur molekylerna är bundna till varandra. I ett fast ämne är molekylerna strukturerat organiserade och håller i stort sett samma avstånd till varandra hela tiden. Bindningarna är här mycket starka. I flytande ämnen är bindningarna svagare men existerar fortfarande. Molekylerna är inte lika strukturerade och kan färdas omkring mer i rummet. I en gas finns inga bindningar och ingen organisation mellan molekylerna. Gaser är alltid genomskinliga. Dimma eller moln av olika slag är således kondenserade (flytande) partiklar i luften.
För att en fasövergång ska ske krävs att bindningar bryts. Därför kommer energi behöva gå åt till det istället för att värma mediet. Av den anledningen är temperaturen konstant under en fasövergång (ideal sett men inte i praktiken pga icke-homogent blandat). Vid upphettning av ett ämne ändras den specifika volymen men volymnändringen är som störst under en fasövergång eftersom då övergår t.ex. flytande partiklar till gaspartiklar som tar mer plats. Expansionen som sker vid endast upphettning beror på att partiklarna vill röra på sig mer när de blir varmare och således kräver mer plats. Givet en isobar miljö.
Alla ämnen har en trippelpunkt där vid en viss temperatur och tryck alla tre faser kan existera, men notera att detta endast är en punkt. Vid de flesta tryck och temperaturer kan endast två faser existera.
Vad innebär Entalpi?
Orsaken till att systemegenskapen entalpi introduceras är på grund av att i beräkningar med framför allt värmemotorer och värmepumpar (flödesprocesser) dyker följande term upp:
+ = ℎ [ ]
Vi definierar den som entalpin h (specifika entalpin). Termen u är den inre energi som ämnet har i det tillståndet det befinner sig i (beroende på t.ex. temperatur fas och tryck) och termen Pv är den energi som håller flödet igång. Termen Pv kommer från den kraft som varje litet volymsegment utgör på de volymsegment runt om den för att kunna röra på sig.
Vad innebär Interpolation?
Ofta behöver systemegenskaper hittas för ämnen i 2-fasområdet vilket inte är tabellerat. Ofta är det dock känt om man räknar på en t.ex. isentalp process eller en isentrop process och då kan man använda interpolation för att ta reda på kvalitén (ofta ångkvalitén) hos ett ämne. Den informationen kan sedan användas för att beräkna den systemegenskap som eftersöks. Lättare sagt kan man genom att veta hur en systemegenskap förändrar sig, beräkna hur en annan kommer förändra sig. Detta är inte en exakt beräkning utan en linjär approximation
Exempel med en isentrop process, s1=s2, vi söker h2 som inte är tabellerad.
< = =@?@⋯ + =C@?@⋯ = D
x är således ångkvalitén, vilken är densamma i uttrycket för entalpin.
ℎ< = ℎ=@?@⋯ + ℎ=C@?@⋯
Således har vi beräknat ångkvaliten. x=0 innebär mättad vätska, x=1 innebär mättad ånga, x=0,7 innebär 70% ånga och x>1 innebär överhettad ånga. Hamnar man i överhettad ånga finns tabellvärden.
Vad innebär ideala gaser?
En ideal gas en teoretisk modell som relaterar temperatur, tryck och volym för en gas enligt ideala gaslagen
Där P är det absoluta trycket, T är den absoluta temperaturen, v är den specifika volymen och R är gaskonstanten som är specifik för det givna ämnet.
Ideala gaslagen är endast en approximation men för många gaser stämmer den väl. Generellt sett gäller den för lättare gaser som 1-2-atomiga gaser men för vissa temperaturer och tryck går den även att applicera på tyngre gaser med minimalt fel. Vid låga tryck och höga temperaturer stämmer approximationen bättre. Luft kan oftast betraktas som en ideal gas men vattenånga kan oftast inte göra det.
För en ideal gas är den inre energin endast en funktion av temperatur u=u(T) varför också entalpin endast beror av temperaturen, h=h(T). Av detta följer att cp och cv endast beror av temperaturen för en ideal gas.
Vad innebär Specifik värmekapacitet?
Enatomiga gaser har konstanta specifika värmekapaciteter över alla T. För ideala gaser gäller även
H = I +
Där R är gaskonstanten för det aktuella ämnet. En annan egenskap kan definieras för en ideal gas
= H
I
vilken för enatomiga gaser är lika med k=1,667 och sjunkande för fleratomiga gaser så som luft.
Vid entropiberäkningar för ideala gaser är det lämpligt att approximera den specifika värmekapaciteten till ett medelvärde mellan de temperaturer man arbetar mellan för att slippa en svår integral när c är beroende av T. Denna approximation är lämplig så länge inte temperaturskillnaden överstiger några få hundra grader.
För approximativt inkompressibla material, d.v.s. ämnen i flytande och fast fas, är cp och cv praktiskt taget detsamma varför man endast pratar om en konstant c i dessa faser. c beror av T och för att beräkna en förändring i inre energi för ett fast eller flytande ämne tas integralen av c(T) med avseende på T. Är inte c’s beroende av T känt gäller för
Vad innebär Polytropa processer?
En polytrop process är en process sådan att # = Följande specialfall innebär; n=0 isobar, n=1 isoterm, n->oändlighet isokor, n=k isentrop.
Vad innebär slutna system?
Slutna system är sådana att det inte finns något massflöde in eller ur systemet. Slutna system karaktäriseras av sina systemegenskaper. Man pratar här om inre energi u och inte entalpi h. Energibalansen blir, eftersom man oftast bortser från kinetisk och potentiell energi (stationära förhållanden),
Slutna system uträttar ofta ett arbete på omgivning om den har en gräns som kan röra på sig. Arbetet ges av att integrera trycket med avseende på volymförändringen. För kompression av gaser i slutna system gäller oftast reglerna för polytropa processer.
Slutna system kan definieras på olika sätt. Är systemet adiabatisk innebär det att ingen värme överförs över systemgränserna. Är det isobart kommer trycket vara oförändrat, detta medför för ett slutet system i många fall att systemgränserna måste kunna röra på sig. Givet en isobar process är det lätt att räkna på slutna system med gränser som rör sig eftersom då entalpin kan användas.
Vad är ett öppet system?
Ett öppet system innebär att det kan flöda massa in och/eller ur systemet. All massa som kommer in i systemet måste antingen lagras eller föras ut ur systemet eftersom massan precis som energin bevaras. I denna kursen tas inte hänsyn till att massa är energi enligt E=mc^2 även om det är ett rimligt argument. Energibalansen för ett öppet system blir som följer.
I system som inte ackumulerar någon massa kan den sista termen i ovan ekvation strykas. I processer som innefattar flera steg kan ovan ekvation användas för varje delsteg. Ett exempel på hur detta kan användas är i ett delsteg som är en adiabatisk konstantflödesprocess med ett inlopp och ett utlopp (m1=m2). Det följer att ovan ekvation blir
Vad är kvasijämvikter?
Kvasijämvikter innebär att en process sker på ett sådant sätt att den alltid är infidecimalt nära jämvikt. Alltså, tänk dig om en kolv ska röra sig i x-led och komprimera ett ämne. Från början befinner sig ämnet i jämvikt men när kolven börjar röra på sig ändras tryck, temperatur och volym vilket bryter jämvikten. Kvasijämvikten innebär att för varje litet steg dx befinner sig ämnet bara ett infidecimalt steg ifrån jämvikt. För att detta ska kunna ske måste förflyttningen i x-led ske mycket långsamt för att jämvikten alltid ska hinna ställa in sig. Skulle kolven tryckas in mycket snabbt skulle tryck, volym och temperaturgradienterna bli stora.
Kvasijämvikter är ofta en förutsättning för optimala teoretiska processer men samtidigt kräver kvasijämvikten att processen sker mycket långsamt. I praktiken leder det till att de teoretiska processerna med höga verkningsgrader blir svåra att uppnå om man samtidigt vill ha ett rimligt effektuttag. För beräkningarna i denna kursen är ofta kvasijämvikt förutsatt även om det är ett orimligt antagade.
Vad är adiabatiska processer?
En process kan i specialfall approximeras vara adiabatisk. Detta gäller i första hand för processer som sker mycket fort där man kan tänka sig att ingen eller en försumbar mängd värme hinner gå över systemgränsen under den tidsperiod man studerar. Detta sker bl.a. i explosioner och brandsläckare där trycket förändras mycket snabbt varpå den lilla värmeöverförsel som sker till omgivningen blir så liten i jämförelse med tryckförändringen att den kan försummas. Direkt efter detta förlopp blir dock processen icke-adiabatisk. Lägg även märke till att i dessa exempel är knappast processerna i kvasijämvikt. Det går alltså att modellera processer med dessa approximationer men i praktiken talar mycket emot dem.
Vad är Strypventil?
En strypventil sänker eller höjer trycket (ofta adiabatiskt) utan att utföra något arbete. Konsekvensen av detta är en förändring av temperaturen. Däremot gäller för ideala gaser att temperaturen är konstant eftersom entalpin före är lika med entalpin efter och h=h(T) för ideala gaser.
Vad är värmemotor?
– För att en värmemotor ska fungera och inte bryta mot 2:a huvudsatsen måste den utföra följande
o Ta värme från en värmereservoar
o Omvandla en del av den värmen till arbete
o Dumpa restvärmen i en kallare reservoar
o Arbeta i cykel
Vad är värmepump?
• En värmepump arbetar mellan två reservoarer och med hjälp av tillfört arbete överför värme från en kallare reservoar till en varmare. Genom att höja trycket på det kallare mediet höjs även temperaturen varpå den värmen kan frigöras till varmreservoaren. Det trycksatta, nu lite svalare, mediet går vidare till en strypventil som sänker trycket och därmed temperaturen vilket gör att mediet kan absorbera värme från kallreservoaren. Genom tillförseln av arbete bryter inte denna maskin mot 2:a huvudsatsen. För värmepumpar pratar man inte om verkningsgrad utan snarare ”coefficient of performance” (COP). COP för en värmepump eller kylmaskin är högre än 1 och kan bli mycket hög i teroetiska modeller. I verkligheten är COP mellan 3-5 oftast.
