wyklad_i

Fizykochemiczne podstawy inżynierii
procesowej
Wykład I - 1
Sprawy formalne
2
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 15.15 - 16.55 22/02 02/03
SR 17.05 - 18.45 24/02
Nie ma zajec miedzy 07/03 – 29/03
Natepne terminy beda podane tutaj
3
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
Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej
Sprawy formalne cd.:
Kontakt: p. 115 C-6,
email: [email protected]
Konsultacje:
Informacje internetowe:
www.prochembio.pwr.wroc.pl/studenci.html
5
Literatura zasadnicza
1.
S. Michałowski, K. Wańkowicz: Termodynamika procesowa.
WNT Warszawa 1999.
2.
J. Szarawara: Termodynamika chemiczna stosowana. WNT
Warszawa 1997.
3.
E. Kalinowski: Termodynamika. Wyd. Polit. Wroc., Wrocław
1997.
4.
S. R. Turns: Thermodynamics. Concepts and Applications.
Cambridge University Press. Cambridge 2006.
5.
https://www.academia.edu/11767578/THERMODYNAMICS_AN
_ENGINEERING_APPROACH_8th_EDITION_2015
6
Literatura pomocnicza (uzupełniająca)
1.
P. Atkins: Palec Galileusza. DW Rebis, Poznań
2005. (Rozdziały: 3 – Energia i 4 – Entropia)
2.
B. Diu: Czy atomy naprawdę istnieją ? PIW,
Warszawa 2000.
3.
H. Buchowski, W. Ufnalski: Podstawy
termodynamiki. WNT, Warszawa 1994.
4.
D.R. Olander: General Thermodynamics. CRC
Press. Boca Raton 2008.
7
Fizykochemiczne podstawy inżynierii
procesowej
Wykład I - 2
Podstawowe definicje i pojęcia termodynamiczne
9
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
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
Podstawowe pojęcia i definicje
Podstawowymi pojęciami termodynamicznymi są pojęcia układu
i otoczenia.
Ciepło (energia cieplna)
Praca (energia mechaniczna)
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
Układ
Otoczenie
Masa
12
Przykład układu termodynamicznego:
cylinder w silniku spalinowym
1
3
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
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
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
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
Przemiana
Stan 2
Stan 1
17
STAN UKŁADU I PRZEMIANA TERMODYNAMICZNA
Przykładem przemiany termodynamicznej może być proces
sprężania gazu w cylindrze silnika spalinowego:
18
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
STAN UKŁADU I PRZEMIANA TERMODYNAMICZNA
Przemianę termodynamiczną charakteryzują:
a) przyrosty parametrów stanu
b) wielkości opisujące wymianę między układem a otoczeniem
(parametry przemiany)
20
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 )
  1  2
1
2
3° - są jednorodne ze względu na masę substancji zawartej w układzie
X (m)  X (m)
 0
21
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
WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I INTENSYWNE
2° - nie są addytywne (bilansowalne) tzn.:
x()  x(1)  x(2 )
3° - nie zależą od masy substancji zawartej w układzie
x( m)  x(m)
 0
23
WIELKOŚCI EKSTENSYWNE I INTENSYWNE
Iloraz dwu wielkości ekstensywnych
zawsze jest wielkością intensywną !
X 1 ()
 x ()
X 2 ()
Iloraz lub iloczyn dwu wielkości intensywnych pozostaje zawsze wielkością
intensywną !
x1  x2  x3 lub
x1
 x3
x2
24
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
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, [m3] – parametr ekstensywny, wielkość mierzalna
Objętość układu jest określona przez objętość przestrzeni zajmowanej przez układ.
26
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  Ec  ( Ek  E p )
27
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
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
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
Rudolf Clausius 1822 - 1888
31
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  1.38065 10
 23
J
K
- stała Boltzmanna
32
PARAMETRY STANU cd.
Ludwig Boltzmann 1844 - 1906
33
PARAMETRY STANU cd.
Słynny wzór definiujący
entropię został wyryty
na jego nagrobku na
cmentarzu w Wiedniu
34
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
PARAMETRY STANU cd.
Herman von Helmholtz 1821 - 1894
36
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
PARAMETRY STANU cd.
Willard Gibbs 1839 - 1903
38