*Osnove TERMODINAMIKAVanr.prof. Sandira Eljan

*OSNOVE TERMODINAMIKE Termodinamika- nauka koja se bavi izuavanjem pojava vezanih za transformaciju energije (posebno topl.energije u druge vidove energije) thermos (topao) i dynamis (snaga, sila kao uzrok kretanja) Prvi put spominjana 1849.godine lord Kelvin

Nauka koja se pojavljuje u svim sferama ivota i moe se posmatrati na nivou:

-svemiraPlanete Zemljeivog svijetaTehnike...

*Zadatak termodinamike je utvrivanje fizikalnih zakonitosti kojimse objanjavaju i opisuju procesi transformacije energije i ispitivanje meudjelovanja termodinamikog sistema i okoline.

Termodinamika izuava stanje materije i promjene unutar nje.

*Podjela termodinamike prema istorijskom pristupu:-opta (fizika), -hemijska, -tehnika i -hemijsko-inenjerska. u zavisnosti od pristupa prouavanju materije i promjena unutar materije ( makroskopski ili mikroskopski): - klasina (fenomenoloka, ravnotena) termodinamika i- statistika termodinamika.

*Klasina termodinamika prouava termodinamiki sistem i promjene stanja sistema sa makroskopskog stanovita, bez dubljeg ulaenja u grau materije.Statistika termodinamika posmatra termodinamiki sistem kao skup vrlo velikog broja elementarnih estica i osobine sistema se prouavaju na osnovu osobina tih estica.

*Termodinamika se temelji na eksperimentalno utvrenim zakonima, i to:

- Prvom postulatu ravnotee koji kae da svaki sistem prirodnih tijela tei ravnotenom stanju, a kada postigne to stanje ne moe ga vie sam od sebe mijenjati;- Drugom postulatu ravnotee koji se jo u literaturi naziva i nultim zakonom termodinamike koji uspostavlja vezu izmeu sistema koji se nalaze u termikoj ravnotei;

- Prvom zakonu termodinamike ili zakonu o ouvanju energije;- Drugom zakonu termodinamike koji definie smjer odvijanja procesa u prirodi i izraava karakter tih procesa;-Treem zakonu termodinamike koji omoguava odreivanje entropije kao termodinamike veliine.

*Osnovni termodinamiki pojmoviMaterija je sve ono to nas okruuje, iako ta definicja nije primjerena za TD razmatranja. U TD je potrebno poznavati sve njene fizike osobine u razliitim vremenskim intervalima, jer su one promjenjive u vremenu.Radno tijelo je materija koja se koristi u mainama za dobijanje rada, sa osobinom da se u njemumoe akumulisati odreena kol.energije i da mu se ona moe oduzeti. Npr. gas (motori, kotlovi,gasne turbine), vodena para (kotao, parna turbina), tenost (prenos topline), vrsto tijelo (provoenjetopline)...

Sa TD stanovita najbolje radno tijelo je gas.

*Idealni gas je zamiljena materija, iji su molekulu loptastog oblika, zanemarljivog prenika i konane mase, a meu molekulima vladaju zanemarljivo male meumolekularne sile.

Gas je po svojim osobinama blii idealnom gasu ako je temperatura pri nekom odreenom pritisku via ili pritisak pri nekoj stalnoj temperaturi nii.

*Termodinamiki sistem je onaj dio svijeta koji je predmet termodinamikog prouavanja.

- Od ostalog prostora sistem je odvojen graninom povrinom, koja moe biti stvarna ili zamiljena (pokretna ili nepokretna)

Okolina TD sistema je sav preostali prostor koji nije ukljuen u sistem.Sistem

*Termodinamiki sistemi

* a) otvoren b) zatvoren c) izolovanOtvoren, zatvoren i izolovan termodinamiki sistem

*Adijabatni sistem je termodinamiki sistem koji s okolinom moe izmjenjivati rad, ali ne i toplotu.

Homogeni termodinamiki sistemi- oni ije su osobine jednake u svim njegovim dijelovima ili se kontinualno mijenjaju od jednog mjesta do drugog.

Heterogeni termodinamiki sistemi - koji se sastoje od dva ili vie razliitih homogenih podruja tzv. faza. Na granici faza osobine sistema se naglo mijenjaju.Granice termodinamikih sistema: - izolatori (kod izolovanih sistema); adijabatske (kod adijabatske sistema); dijatermine (granice koje dozvoljavaju prenos energije u obliku toplote); - pokretne (granice koje proputaju rad) i - nepokretne (granice koje ne proputaju rad).

*Agregatno stanjeMaterijalna tijela u prirodi mogu se nalaziti u tri agregatna stanja.Dovoenjem toplotne energije tijelu, slabe meumolekularne sile unutar tog tijela i ono pod odrenim uslovima, prelazi iz vrste u tenu fazu.

Ako se nastavi dalje dovoenje topline tijelo u odre.vrem.trenutku prelazi u gasovitu fazu.

Direktan prelaz iz vrste faze u gasovitu : Isparavanje - Kondenzacija - Sublimacija -Desublimacija

*Parametri

Stanje nekog TD sistema odreeno je parametrima stanja. Za svaki trenutak u kom se posmatra sistem parametri stanja imaju svoje vrijednosti.ekstenzivni zavise od koliine materije u sistemu(npr. masa, zapremina, unutranja energija, ...) i

intenzivni parametri ne zavise od koliine materije u sistemu (npr. pritisak, temperatura, ...) interni (definiu stanje nekog sistema) i eksterni (definiu sistem u odnosu na okolinu) Interni parametri se jo zovu i veliinama stanja.

*Osnovne termodinamike veliine stanja su: pritisak, temperatura i zapremina.Temperatura najee se definie kao mjera zagrijanosti nekog TD sistema.

Temperatura mjera ili pokazatelj srednje vrijednosti kinetike energije translatornog kretanja molekula posmatranog TD sistemagdje su:

B - koeficijent proporcionalnosti, T - temperatura, m - masa, -srednja brzina kretanja velikog broja molekula.

*Mjerenje temperature nije mogue izvriti neposredno, pa se temperatura mjeri posredno mjerenjem promjene fizikih osobina neke druge materije, koja se dovodi u termiku ravnoteu sa tijelom ija se temperatura mjeri. Temperaturno osjetljive osobine materije, koje se koriste u izradi instrumenata za mjerenje temperature su:

-promjena zapremine;-pritisak gasa pri konstantnoj zapremini;-elektrini otpor u vrstom tijelu (metalu);-elektromotorna sila u dva razliita metala ili poluprovodnika;-intenzitet zraenja na visokim temperaturama i magnetni efekti na ekstremno niskim temperaturama.

*Instrumenti za mjerenje temperature mogu se podijeliti na:

instrumente koji rade na principu kontaktnog mjerenja temperature(ivin termometar, razliite vrste elektrinih termometara termoparovi, otporniki termometri i bimetalni termometri.

- instrumente koji rade na principu beskontaktnog mjerenja temperature.ivin termometar je najstariji instrument za mjerenje temperature. Mjerenje temperature zasniva se na mjerenju visine stuba ive, koja semijenja sa promjenom zapremine ive, u ovisnosti od temperature.

*

*Beskontaktno mjerenje temperature (na nedostupnim mjestima,na objektima koje je opasno dirati, objektima koja se kreu ...) - termografija odravanje razliitih postrojenja i ureaja,nadzorna ispitivanja, medicinska dijagnostika ...

Termografska kamera (mjerenje na elektrinom motoru)

*Termogrami

*Za toplotno stanje materije mjerodavna je apsolutna temperatura.

Njena vrijednost u SI sistemu dobija se koritenjem Kelvinove temperaturne skale.

Uz pojam apsolutne temperature koristi se i naziv termodinamika temperatura (T). Veza izmeu apsolutne temperature (T) u stepenima Kelvina i temperature(t) u stepenima Celsiusa data je relacijom:

*Temperaturne skale

*Pritisak

Definie se kao normalna sila koja djeluje na jedinicu povrine.

esto se koriste i jedinice za pritisak izraene visinom stupca ive:

Tehnika atmosfera

Fizika atmosfera gdje su:p-pritisak;F-normalna sila;A-povrina.

Atmosferski ili barometarski pritisak (pb) je pritisak kojim vazduh djeluje na povrinu zemlje.Stvarni pritisak nekog gasa ili tenosti u zatvorenoj posudi naziva se apsolutni pritisak p.On moe biti manji,vei ili jednak atmosferskom. Ako je pritisak gasa u nekoj posudi vei od atmosferskog govori se o natpritisku ili manometarskom pritisku pn. Ako je manji od atmosferskog rije je o potpritisku ili vakuumu pv. Atmosferski pritisak se mjeri barometrom, natpritisak manometrom, a potpritisak vakuummetrom. *

*Prikaz natpritiska i potpritiska u odnosu na atmosferski pritisak

*a) s U-cijevi b)s Bourdon-ovom cijeviManometri

*Zapremina

Prostor ispunjen masom m, odnosno prostor koji zauzimaneki sistem. Zapremina materije zavisi od njene mase, pa se za veliinu stanja uzima specifina zapremina, koja odgovara zapremini jedinice mase.

Gustina materije:Normalni metar kubni je ona koliina gasa koja pri normalnim uslovima ( p = 760 mm Hg i t = 0C) zauzima zapreminu od 1 m3. 1 [mol], 1 [kmol ]

*Termodinamika ravnoteaPod termodinamikom ravnoteom se podrazumijeva stanje radne materije kod koje su svi njeni dijelovi u mehanikoj, termikoj i hemijskoj ravnotei, ne postoji uticaj okoline na termodinamiki sistem i obrnuto, Nema izmjene toplote i rada s okolinom (zatvoren i izolovan sistem).-mehanika (u svim njenim dijeloviam radne materije vlada isti pritisak), - termika ista temperatura i - hemijska ravnotea jednak unutranji hemijski sastav materije.

*Termika jednaina stanja

Uspostavlja vezu izmeu veliina stanja (p, T, v) Eksplicitni oblik: Implicitni oblik:

*Nulti zakon termodinamike (drugi postulat ravnotee )

uspostavlja termiku ravnoteu izmeu posmatranih TDsistema.

*ProcesPodrazumijeva prelazak iz TD sistema iz jednog stanja u drugo, pri emu dolazi do promjene jedne ili vie veliina stanja tog sistema. Svako stanje sistema definiu odreene veliine stanja.

*Ciklus

Ako TD sistem prolazi kroz niz meustanja, od poetnog do krajnjeg, i na kraju se vraa u poetnog stanje, kae se da je izvrio ciklus ili zatvoren ciklus. (primjer ciklusa je rad motora sa unutranjim sagorijevanjem)

* Energija

Najee se definie kao sposobnost vrenja rada.

Jedna od osobina materije i ispoljava se u raznovrsnimneprekidnim magroskopskim i mikroskopskim promjenama stanja . Svaki sistem ima svoje energetsko stanje.

Iz zakona o odranju energije slijedi da se energija ne moe stvoriti ili unititi ve samo prelaziti iz jednog oblika u drugi.

Zbir svih oblika energije u izolovanom sistemu ima konstantnu vrijednost.- Kod nuklearnih reakcija

*Dva osnovna vida u kojim se energija javlja su:

Akumulirana ili pohranjena energija (vezana za TD sistem)

Energija prelaznog oblika (kada akumulirana energija mijenja svoj oblik)

Oblici u kojima se javlja akumulirana energija, odnosno oblici energije sistema su:

potencijalna energijakinetika energijaunutranja energijahemijska energijaelektrina energijanuklearna energijaenergija elastine deformacije ...

*Ukupna energija sistema U termodinamikim procesima

*Oblici akumulirane energije

*Unutranja energija

Odgovara zbiru potencijalne i kinetike energije kretanja atoma i molekula unutar nekog tijela. Predstavlja zalihu energije u nekom sistemu. Ona raste sa temperaturom. Pored unutranje toplotne postoje i unutranja hemijska i unutranja nuklearna energija (hemijske i nuklearne reakcije).

- Unutranja energija obiljeava se sa U i zavisi od mase sistema m.

*Toplota je dio unutranje energije koji prelazi sa tijela vie temperature na tijelo nie temperature.

Termika ravnotea izjednaavanje temperatura dva tijela

Vanjski uticajiToplota i zapreminski rad su vanjski uticaji na TD sistem, nisu veliine stanja djeluju na promjenu sistema. Eksperiment sa Pb i Fe- jednake mase razliitih materija imaju razliit toplotni kapacitet. Dovodi im se toplota dok im se temperature ne povise za istu vrijednost, a onda se zagrijani stavljaju u posudu sa istom koliinom vode. Nakon uspostavljanja termike ravnotee, voda u kojoj je bilo Fe bi imala viu temperaturu. (T2 T1)eljezo C=0,470 kJ/(kgK)Olovo C=0,130 kJ/(kgK)

Toplotni kapacitet materijalnog tijela Toplotni kapacitet materijalnog tijela je koliina toplote koju je potrebno dovesti materijalnom tijelu da bi mu se temperatura povisila za jedan stepen.

Specifina toplota je toplotni kapacitet jedinice mase tijela:

Srednja specifina toplota data je za temperaturni interval i rauna se pomou jednaine:

Specifine toplote pri konstantnom pritisku i pri konstantnoj zapreminiKod cp da bi povisili temp. gasa za jedan stepen , bilo bi potrebno dovesti toplotu koja se troi na poveanje unutranje energije i rad zbog irenja gasa. Iz toga se moe zakljuiti da je za gasoveza vrsta tijela i tenosti

Specifina toplota za 1 kmol nekog gasa data je jednainom:gdje je:M [kg/kmol] molekulska masa gasa.

Za izobarsku promjenu :Za izohorsku promjenu :

Koliina toplote izobarske, izohorske i politropske promjene

Zapreminski rad

Karakteristika gasova je da lako mijenaju svoj zapreminu (slika). U opem sluaju pri promjeni zapremine gasa, mijenja se i njegov pritisak.Posmatra se TD sistem sa idealnim gasom unutar cilindra sa jednom pokretnom granicom (klip cilindra).

Do pomjeranja klipa dolazi pod djelovanjem vanjske sile F i energija koja se prenosi kroz granice sistema je:

Molekuli gasa pritiska p djeluju na elo klipa silom Fp:

Za 1 [kg] radne materije dobija se zapreminski rad :

Rad u p,v-dijagramu za sluaj izohorske i izobarske promjene stanja

(za idealizirani sluaj radne materije u kojoj je pritisak isti u svakoj njenoj taki i za ispunjen uslov mehanike ravnotee) Rad vanjske sile, koja djeluje u smjeru smanjenja zapremine, je:Gdje je:p' pritisak molekula gasa uz zidp'- pritisak moelekula u ostalom dijelu gasa (p''< p' )

Rad vanjske sile pri irenju gasa:Gdje je:p' snieni pritisak molekula uz klip gasa

Kvazistatike (sistem pri prelasku iz jednog stanja u drugi prolazi kroz niz ravnotenih stanja)- idealizacija stvarnih promjena)Nekvazistatike (realne promjene sistem prolazi kroz niz neravnotenih stanja)Vrste promjenaNormalni uslovi

Pod normalnim uslovima se u termodinamici podrazumijeva pritisak od 1,013 bar i temperatura 0C.

Termodinamika idealnih gasova(Boyle-Mariotteov, Gay-Lussacov i Charlesov zakon)Boyle-Mariotteov zakon (zavisnost izmeu promjene pritiska i promjene zapremine gasa pri konstantnoj temperaturi u obliku) Jednaina izotermske promjene stanja

Boyle-Mariotteov eksperiment

Izoterme

Gay-Lussacov zakonGay-Lussacov eksperiment

Gay-Lussacov zakon

Gay-Lussacov zakon (izobarne promjene stanja)

Charlesov zakon (ukoliko je zapremina konstantna dogaa se Izohorna promjena stanja). Pritisak se mijenja proporcionalno sa temperaturom, pa je konaan oblik: za

Charlesov eksperiment

Zavisnost pritiska od temperature po Charlesovom zakonu

Sjedinjeni Boyle-Mariotteov, Gay-Lussacov i Charlesov zakon povezuju 3 osnovne veliine stanja idealnog gasa:

Jednaina stanja idealnog gasa

Obzirom na injenicu da je iskljuivo funkcija temperature, mora biti neka konstanta. gasna konstanta R

Opti oblik jednaine stanja za 1 [kg] idealnog gasa :Diferencijalni oblik ove jednaine je:Za masu od m [kg] nekog gasa jednaina stanja idealnog gasa glasi:

iligdje je[m3/kmol]

Jednaine stanja za dva idealna gasa , koja imaju isti pritisak i temperaturu su:Dijeljenjem ove dvije jednaine dobija se:(za iste fizikalne uslove)

Univerzalna gasna konstanta koja ima istu vrijednost za sve gasove, za razliku od R gasne konstante koja je razliita.

LITERATURA:

Noi M. : Termodinamika, Mostar 2011Bijedi, M., Delali, S.: Termodinamika i termotehnika, Planjax, Teanj, 2004.Galovi, A: Termodinamika I, FSB, Zagreb, 2002Fabris O.: Osnove inenjerske termodinamike, Pomorski fakultet u Dubrovniku, Dubrovnik 1994

*

*