Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej

Transkrypt

1

2 Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej Wykład I - 1 Sprawy formalne 2

3 Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej Sprawy formalne: Forma: Wykład w postaci prezentacji komputerowych Przeznaczenie: studenci II roku Studium inżynierskiego na Wydziale chemicznym i kierunku Inżynieria chemiczna i procesowa oraz inni studenci Politechniki Wrocławskiej Wymiar: 30 h/semester s. B-1 F-4 Czas i miejsce: PN /02 02/03 SR /02 Nie ma zajec miedzy 07/03 29/03 Natepne terminy beda podane tutaj 3

4 Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej Sprawy formalne cd.: Obecność: nieobowiązkowa (sprawdzana) Obecność na wykładzie będzie premiowana dodatkowymi punktami przy ocenie egzaminu: brak nieobecności 5 pkt., jedna nieobecność 3 pkt., dwie nieobecności 1 pkt. Zaliczenie: Egzamin w czasie sesji Egzamin jest pisemny test wielokrotnego wyboru. 4

5 Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej Sprawy formalne cd.: Kontakt: p. 115 C-6, Konsultacje: Informacje internetowe: 5

6 Literatura zasadnicza 1. S. Michałowski, K. Wańkowicz: Termodynamika procesowa. WNT Warszawa J. Szarawara: Termodynamika chemiczna stosowana. WNT Warszawa E. Kalinowski: Termodynamika. Wyd. Polit. Wroc., Wrocław S. R. Turns: Thermodynamics. Concepts and Applications. Cambridge University Press. Cambridge _ENGINEERING_APPROACH_8th_EDITION_2015 6

7 Literatura pomocnicza (uzupełniająca) 1. P. Atkins: Palec Galileusza. DW Rebis, Poznań (Rozdziały: 3 Energia i 4 Entropia) 2. B. Diu: Czy atomy naprawdę istnieją? PIW, Warszawa H. Buchowski, W. Ufnalski: Podstawy termodynamiki. WNT, Warszawa D.R. Olander: General Thermodynamics. CRC Press. Boca Raton

8

9 Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej Wykład I - 2 Podstawowe definicje i pojęcia termodynamiczne 9

10 Uwagi wstępne Termodynamika jest to dział fizyki zajmujący się zagadnieniami cieplno mechanicznymi w skali makroskopowej. Termo zjawiska, zagadnienia cieplne związane z chaotycznym ruchem cząsteczek materii - dynamika zjawiska, zagadnienia mechaniczne związane z uporządkowanym ruchem makroskopowych zbiorów materii 10

11 Uwagi wstępne Istnieje wiele różnych podziałów i klasyfikacji dotyczących termodynamiki. Dla naszych celów całą termodynamiką możemy podzielić na: termodynamikę teoretyczną, którą nie będziemy się zajmować termodynamikę praktyczną, w ramach której można wyodrębnić termodynamikę techniczną często nazywaną techniką cieplną i termodynamikę procesową. Głównymi tematami termodynamiki technicznej są praktyczne zagadnienia związane z wzajemnymi przemianami energii cieplnej i mechanicznej. Z kolei głównym obszarem zainteresowania termodynamiki procesowej są metody wyznaczania i obliczania właściwości termodynamicznych różnego rodzaju ośrodków. Właściwości te są niezbędne przy opisie różnego rodzaju procesów technologicznych. 1 1

12 Podstawowe pojęcia i definicje Podstawowymi pojęciami termodynamicznymi są pojęcia układu i otoczenia. Ciepło (energia cieplna) Praca (energia mechaniczna) Otoczenie Układ Masa Układ i otoczenie mogą wymieniać ze sobą energię i masę. Energia może być wymieniana na dwa sposoby: -jako ciepło, gdy wiąże się to z przekazywaniem termicznym, - lub jako praca gdy energia jest przekazywana mechanicznie w sposób uporządkowany 12

13 Przykład układu termodynamicznego: cylinder w silniku spalinowym 1 3

14 RELACJE UKŁADU Z OTOCZENIEM W zależności od istnienia lub braku wymiany z otoczeniem układ określa się jako: adiabatyczny gdy nie ma wymiany ciepła w kontakcie termicznym gdy wymiana ciepła jest obecna izolowany mechanicznie gdy praca nie jest wykonywana w kontakcie mechanicznym gdy praca jest wykonywana zamknięty gdy nie ma wymiany masy otwarty gdy wymiana masy się odbywa 14

15 RÓWNOWAGA TERMODYNAMICZNA Ze stanem równowagi mamy do czynienia wtedy, gdy występują dwie wzajemnie przeciwstawne tendencje, które się równoważą. Pojęcie równowagi jest stosowane w różnych dziedzinach nauki. Przykładowo w ekonomii ważnym pojęciem jest równowaga rynkowa polegająca na równoważeniu się podaży i popytu określonego towaru. W naukach ścisłych i technicznych zagadnienie równowagi występuje stosunkowo często. Najważniejsze rodzaje równowag to: 1. Równowaga mechaniczna polegająca na zrównoważeniu sił. 2. Równowaga termiczna polegająca na zrównoważeniu temperatur. 3. Równowaga chemiczna polegająca na zrównoważeniu szybkości reakcji chemicznych. 15

16 RÓWNOWAGA TERMODYNAMICZNA Układ który jest w stanie równowagi cechuje się stałością w czasie parametrów opisujących jego stan. Oznacza to że nie zachodzą w nim żadne makroskopowe zmiany. Stan równowagi nie oznacza że w układzie nic się nie dzieje. Oznacza tylko tyle że procesy zachodzące w układzie nie dają efektów makroskopowych. Czasami (dosyć często) równowaga definiowana jest jako stan, w którym parametry makroskopowe są stałe w czasie. Jest to definicja równoważna gdyż stałość parametrów wynika ze zrównoważenia przeciwstawnych tendencji. Szczególną rolę odgrywa pojęcie równowagi termodynamicznej, która zachodzi wtedy gdy występują jednocześnie równowagi: mechaniczna, termiczna i chemiczna. Równoważna definicja tej równowagi mówi że występuje ona wtedy gdy parametry termodynamiczne opisujące dany układ termodynamiczny są stałe w czasie co występuje wtedy, gdy dany układ jest pozostawiony sobie przez czas dostatecznie długi. 16

17 STAN UKŁADU I PRZEMIANA TERMODYNAMICZNA Stan układu termodynamicznego opisuje szereg wielkości fizycznych nazywanych parametrami lub funkcjami stanu. Jeżeli układ zmienia swój stan, to mówimy że odbywa się przemiana termodynamiczna Stan 1 Przemiana Stan 2 17

18 STAN UKŁADU I PRZEMIANA TERMODYNAMICZNA Przykładem przemiany termodynamicznej może być proces sprężania gazu w cylindrze silnika spalinowego: 18

19 STAN UKŁADU I PRZEMIANA TERMODYNAMICZNA Przemiany termodynamiczne możemy podzieć na: 1. Wymuszone, gdy są one spowodowane czynnikami zewnętrznymi, 2. Samoistne (spontaniczne), gdy odbywają się bez udziału czynników zewnętrznych. Przemiany samoistne mogą się odbywać tylko wtedy, gdy układ nie jest w stanie równowagi termodynamicznej. Układ w stanie równowagi termodynamicznej może ulec przemianie tylko na skutek działania czynników zewnętrznych. 19

20 STAN UKŁADU I PRZEMIANA TERMODYNAMICZNA Przemianę termodynamiczną charakteryzują: a) przyrosty parametrów stanu b) wielkości opisujące wymianę między układem a otoczeniem (parametry przemiany) 20

21 WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I INTENSYWNE Wielkości termodynamiczne (zarówno parametry stanu jak i wielkości opisujące przemiany) dzielą się na dwie ważne grupy: Wielkości ekstensywne wielkości X spełniające następujące własności: 1 - są określone na zbiorach przestrzennych mają charakter globalny 2 - są addytywne (bilansowalne) tzn. spełniają relację X ( ) X ( 1) X ( 2) są jednorodne ze względu na masę substancji zawartej w układzie X ( m) X ( m) 0 21

22 WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I INTENSYWNE Wielkości intensywne wielkości x spełniające następujące własności: 1 - są określone dla punktów przestrzennych mają charakter lokalny x f ( M) M W przypadku gdy opisujemy wielkość intensywną układu termodynamicznego będącego zbiorem przestrzennym Ω zakłada się że: - albo dana wielkość x jest taka sama w każdym punkcie zbioru Ω (tzw. doskonałe wymieszanie), - albo też dla całego zbioru określa się wartość średnią: 1 x( ) x( M ) dv V ( ) 22

23 WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I INTENSYWNE 2 - nie są addytywne (bilansowalne) tzn.: x( ) x( ) x( ) nie zależą od masy substancji zawartej w układzie x( m) x( m) 0 23

24 WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I INTENSYWNE Iloraz dwu wielkości ekstensywnych zawsze jest wielkością intensywną! X1( ) x ( ) X ( ) 2 Iloraz lub iloczyn dwu wielkości intensywnych pozostaje zawsze wielkością intensywną! x x x x lub 1 x x2 24

25 WIELKOŚCI MIERZALNE I KONCEPTUALNE Inny podział wielkości termodynamicznych wiąże się z możliwością ich eksperymentalnego pomiaru. Zgodnie z tym podziałem mamy wielkości mierzalne i konceptualne. Wielkości mierzalne to takie, które możemy bezpośrednio z odpowiednią dokładnością zmierzyć za pomącą odpowiednich przyrządów pomiarowych. Mierzalne są np. temperatura, ciśnienie i objętość. Wielkości konceptualne to takie dla których określenia konieczna jest pewna procedura zawierająca różne założenia i konwencje. Konceptualne są takie wielkości jak energia wewnętrzna, entropia czy fugatywność. 25

26 PARAMETRY STANU 1. Temperatura T, [K] parametr intensywny, wielkość mierzalna Temperatura jest to podstawowy parametr stanu określający zdolność układu do przekazywania ciepła czyli energii chaotycznego ruchu cząsteczek. 2. Ciśnienie p, [Pa] parametr intensywny, wielkość mierzalna Ciśnienie jest to drugi podstawowy parametr stanu określający zdolność układu do wykonywania pracy tzn. do przekazywania energii na sposób mechaniczny. 3. Objętość V, [m 3 ] parametr ekstensywny, wielkość mierzalna Objętość układu jest określona przez objętość przestrzeni zajmowanej przez układ. 26

27 PARAMETRY STANU 4. Energia wewnętrzna U, [J] parametr ekstensywny, wielkość konceptualna. Energia wewnętrzna jest to całkowita energia zawarta w układzie pomniejszona o jego energię kinetyczną związaną z ruchem i potencjalną związaną z położeniem całego układu. U E c ( E E k p ) 27

28 PARAMETRY STANU W skład energii wewnętrznej wchodzą m.in.: - sumaryczna energia kinetyczna wszelkich chaotycznych ruchów poszczególnych cząsteczek i atomów, - sumaryczna energia stanów elektronowych wszystkich cząsteczek i atomów, - sumaryczna energia potencjalna oddziaływań między wszystkimi cząsteczkami i atomami, - sumaryczna energia jądrowa związana z możliwością przebiegu reakcji jądrowych. 28

29 PARAMETRY STANU 5. Entalpia H, [J] parametr ekstensywny, wielkość konceptualna. Entalpia jest pomocniczą wielkością energetyczną układu zaproponowaną przez Gibbsa, której definicja jest następująca: H U pv 29

30 PARAMETRY STANU cd. 6. Entropia S, [J/K] parametr ekstensywny Entropia jest to fundamentalny parametr termodynamiczny wprowadzony przez Clausiusa. Entropia ma dwie interpretacje. Klasyczna definicja Clausiusa określa zmianę entropii w różniczkowej przemianie odwracalnej: ds Q T Q - elementarne ciepło wymienione podczas przemiany różniczkowej 30

31 Rudolf Clausius

32 PARAMETRY STANU cd. Druga definicja entropii zaproponowana przez Boltzmanna wiąże się ze statystycznym rozkładem poziomów energetycznych cząstek zawartych w układzie. Popularnie, aczkolwiek nie całkiem ściśle, entropia jest określana jako miara nieuporządkowania (chaosu) w układzie. S k ln( ) E E - liczba dostępnych mikrostanów na które może się rozkładać energia wewnętrzna układu k J K - stała Boltzmanna 32

33 PARAMETRY STANU cd. Ludwig Boltzmann

34 PARAMETRY STANU cd. Słynny wzór definiujący entropię został wyryty na jego nagrobku na cmentarzu w Wiedniu 34

35 PARAMETRY STANU cd. 7. Energia swobodna A, [J] parametr ekstensywny Energia swobodna, nazywana też energią Helmholtza jest to pochodna wielkość energetyczna określona wzorem: A U TS 35

36 PARAMETRY STANU cd. Herman von Helmholtz

37 PARAMETRY STANU cd. 8. Entalpia swobodna G, [J] parametr ekstensywny Entalpia swobodna, nazywana też energią Gibbsa jest to pochodna wielkość energetyczna określona wzorem: G H TS 37

38 PARAMETRY STANU cd. Willard Gibbs