THERMODYNAMICA

Hoofdstuk 1 + 2

ing. Patrick Pilat

lic. Dirk Willem

Algemene begrippen

Belang van thermodynamica:

- CV- Menselijk lichaam (comforteisen)- Verbrandingsmotoren, turbines …- Huishoudtoestellen (frigo, dvd-speler,

pc …)- Ontwerpen van machines

(afmetingen, materiaal, T …)

- …

• Inleiding

ThermodynamicaThermodynamica energie-wisseling

energieoverdracht

Energiebron nuttige energie

• Inleiding

brandstof

zonwind (kin.energ.)

Waterenergie (pot. energ.)Nucleaire

energie

elektriciteit

mechanische beweging

warmte

ThermodynamicaEnkele voorbeelden van energieomzettingen

1. Waterkrachtcentrale: potentiële energie watermassa → waterturbine → elek. en.

• Inleiding

ThermodynamicaEnkele voorbeelden van energieomzettingen

2. Klassieke thermische centrale: verbrandingswarmte → water naar stoom →

stoomturbine→ elektrische energie

• Inleiding

ThermodynamicaEnkele voorbeelden van energieomzettingen

3. Kerncentrale: nucleaire energie → warmte → stoomproductie →

elek. en.

• Inleiding

ThermodynamicaEnkele voorbeelden van energieomzettingen

4. Windmolen: kin. energie wind → elektrische energie

• Inleiding

ThermodynamicaEnkele voorbeelden van energieomzettingen

5. Zonnecentrale: zonne-energie→ elektrische energie

• Inleiding

Planta Solar 10, Sanlucar la Mayor, Spanje: 11 MW

Algemene begrippen

Stelsel Omgeving begrenzing

• Inleiding

• begrippen

gas

T, p …

Beïnvloeden elkaar

Algemene begrippen

Open en gesloten systeem

• Inleiding

• begrippen

energietransportmassatransport

GESLOTEN

systeem

OPEN

systeem

Algemene begrippen

Open en gesloten systeem

• Inleiding

• begrippen

Potentiële energie kinetische energie

Algemene begrippen

Energie ? capaciteit om arbeid te verrichten

BEHOUD VAN ENERGIE (1ste Hoofdwet v/d

thermodynamica)

energie in een stelsel kan op ≠ manieren opgeslagen worden

• Inleiding

• begrippen

transformeren

transporteren

Arbeid en/of warmte

Algemene begrippen

Energie ?

Energie transformeren

• Inleiding

• begrippen

Epot

Ekin

Epot

Algemene begrippen

Energie ?

Energie transformeren transporteren

• Inleiding

• begrippen

Epot

Ekin

Epot

Wrijving

Warmte naar omgeving

Epot

Algemene begrippen

Energie ?

Energiebezit macroscopische energie microscopische energie

(niet zichtbaar)

Etot = Ekin + Epot + U[kJ of J]

• Inleiding

• begrippen

Algemene begrippen

Energie ?

Energiebezit macroscopische energie microscopische energie

(niet zichtbaar)

etot = ekin + epot + u etot = Etot / m

[kJ/kg of J/kg]

• Inleiding

• begrippen

Algemene begrippen

Energie ?

Energiebezit macroscopische energie microscopische energie (niet

zichtbaar)

= inwendige energievb’n ∆U: - verwarmen van een

voorwerp

- samendrukken van een gas

• Inleiding

• begrippen

Algemene begrippen

Energie ?

EnergiebezitEnergietransport WARMTE

• Inleiding

• begrippen

Algemene begrippen

Energie ?

EnergiebezitEnergietransport WARMTE (Q of q)

• Inleiding

• begrippen

uitwisseling t.g.v. T

Men kan nooit zeggen dat een systeem een hoeveelheid warmte bezit systeem bezit een hoeveelheid energie die men kan overdragen in de vorm van warmte

Toestandsverandering adiabatisch (Q = 0) isothermisch (T = cte)

Algemene begrippen

Energie ?

EnergiebezitEnergietransport WARMTE Q (in J) q = Q / m (in J/kg)

(in W of kW)

• Inleiding

• begrippen

stelsel

Q+ Q-

Δt

QQ

Algemene begrippen

Energie ?

EnergiebezitEnergietransport WARMTE (Q of q)

ARBEID (W)elektrische arbeid: We = U.I.T

mechanische arbeid: W = ∫ F.dsarbeid van een veer: Wveer = ½ . k. (x2² - x1²)Volumearbeid: WV = afh. van

toestandsverandering

• Inleiding

• begrippen

Algemene begrippenEnergie ?

EnergiebezitEnergietransport WARMTE (Q of q)

ARBEID (W)

• Inleiding

• begrippen

(in W)Δt

WWP :vermogen

J/kg)in m

Ww

.

(

Algemene begrippen

Energie ?

EnergiebezitEnergietransport WARMTE (Q of q)

ARBEID (W)

• Inleiding

• begrippen

stelsel

W-W+

Q en W zijn energie-interacties tussen stelsel en omgeving.

Stelsel kan energie bezitten maar GEEN Q en/of W

Toestand van stelsels

Toestandsgrootheden: waarnemingen op macroscopische verschijnselen

zijn meetbaar (m, V, T, p)

Twee soorten toestandsgrootheden:

Intensieve toestandsgrootheid: onafhankelijk van de grootte van het stelsel (p, T, u, …)

Extensieve toestandsgrootheid: afhankelijk van de grootte van het stelsel (V, U, …)

• Inleiding

• begrippen

• Toestand van stelsels

Toestand van stelsels

Toestand van een stelsel:= toestandsgrootheden hebben een welbepaalde waarde

stabiele toestand (evenwichtstoestand) onstabiele toestand

Toestandsverandering:wijziging van 1 of meerdere toestandsgrootheden

• Inleiding

• begrippen

• Toestand van stelsels

Algemene begrippen

Toestandsverandering:

• Inleiding

• begrippen

• Toestand van stelsels

m = 2 kg°t1 = 20°C V1 = 1,5

m³

m = 2 kg°t1 = 20°C V1 = 2,5

m³

Algemene begrippen

Bijzondere toestandsverandering:T = cte (isotherme toestandsverandering)

P = cte (isobare toestandsverandering)

V = cte (isochore toestandsverandering)

Q = 0 (adiabatische toestandsverandering)

! Isotherm niet verwarren met adiabaat !

• Inleiding

• begrippen

• Toestand van stelsels

Algemene begrippen

Evenwichtige of quasi-statische toestandsverandering

Begintoestand

eindtoestand

• Inleiding

• begrippen

• Toestand van stelsels

Niet in evenwicht

evenwicht

evenwicht

toestandsverandering

Algemene begrippen

Voorbeeld

• Inleiding

• begrippen

• Toestand van stelsels massa

toestand 1 toestand 2

Algemene begrippen

Voorbeeld

• Inleiding

• begrippen

• Toestand van stelsels

p

V

1

2

1 en 2 zijn evenwichtstoestanden

niet evenwichtige toestandsverandering

Algemene begrippenVoorbeeld

• Inleiding

• begrippen

• Toestand van stelsels

p

V

1

2

evenwichtige toestandsverandering

Algemene begrippen

Reversibele toestandsveranderingen

= omkeerbare toestandsverandering die evenwichtig verloopt

voorwaarden: evenwichtig + wrijvingsloos

perfect omkeerbare toestandsverandering (wrijvingsloos)= praktisch nooit mogelijk

• Inleiding

• begrippen

• Toestand van stelsels

Algemene begrippen

Geïsoleerd stelsel= geïsoleerd van invloeden van de omgeving (Q = 0, W = 0)

toestandsverandering door onevenwicht

≠ thermisch geïsoleerd stelsel (Q = 0)

• Inleiding

• begrippen

• Toestand van stelsels

Algemene begrippenSoortelijke warmte

= hoeveelheid energie om 1kg van een stof 1°C te laten ↑

c = afh. van T en p

• Inleiding

• begrippen

• Toestand van stelsels J/(kg.K))in (

dTm

dQc

2

1

t

t

dTcmQdTcmdQ TcmQ :const c als

2

1

t

t

dTcqdTcdq Tcq :const c als

Algemene begrippenSoortelijke warmte

= hoeveelheid energie om 1kg van een stof 1°C te laten ↑

c = afh. van T en p

afh. van de soort warmtetoevoer cp of cv

• Inleiding

• begrippen

• Toestand van stelsels

Bij cte p wordt W geleverd cp > cv

J/(kg.K))in (dTm

dQc

Algemene begrippen

Ideale gassen

voor alle gassen met voldoende lage eenvoudig verband tussen p, v en T ideale gassen (specifieke voorwaarden)

Toestandsverandering eenvoudig verband:

p . V = n.Ru.T (Ru : universele gasconstante)

stelsel met m kg ideaal gas

p . V = (m/M).Ru.T (M: molaire massa)

p. V = m.R.T (R = Ru/M: specifieke gasconstante)

• Inleiding

• begrippen

• Toestand van stelsels

Algemene begrippen

Ideale gassen

stelsel met m kg ideaal gas

p. V = m.R.T (R : specifieke gasconstante)

specifiek volume: v = V/m (in m³/kg)

p. v = R.T

• Inleiding

• begrippen

• Toestand van stelsels

Algemene begrippen

Oefeningen:

Hoe lang duurt het om 1 liter water van 60°C door middel van

een waterkoker (1000W) te laten koken?

CH2O = 4,185 kJ/kg.K

• Inleiding

• begrippen

• Toestand van stelsels

Algemene begrippen

Oefeningen:

Wanneer je 50 liter water van 40°C mengt met 150 liter water

van 80°C. Wat is dan de temperatuur van het gemengd water?

• Inleiding

• begrippen

• Toestand van stelsels

Algemene begrippen

Oefeningen:

We koelen een stalen blok (3 kg) van 650°C in een oliebad

(100kg, 10°C) af. De temperatuur van de olie stijgt met 6°C.

Cstaal = 0,5 kJ/kg.K

Colie?

• Inleiding

• begrippen

• Toestand van stelsels

Algemene begrippen

Oefeningen:

Een compressor zuigt lucht aan op een druk gelijk aan 1 atm.Tijdens de compressie van de aangezogen lucht blijft detemperatuur 27°C, maar het volume wordt 5X kleiner. Wat is het einddruk van de lucht en hoeveel duidt de manometer

aan van de compressor.(opl. 4,052 bar)

• Inleiding

• begrippen

• Toestand van stelsels