THERMODYNAMICA Hoofdstuk 1 2

1
THERMODYNAMICAHoofdstuk 1 2
ing. Patrick Pilat lic. Dirk Willem
2
Algemene begrippen

• Inleiding

• Belang van thermodynamica
• CV
• Menselijk lichaam (comforteisen)
• Verbrandingsmotoren, turbines
• Huishoudtoestellen (frigo, dvd-speler, pc )
• Ontwerpen van machines
• (afmetingen, materiaal, DT )

3
Thermodynamica

• Inleiding

• Thermodynamica ? energie-wisseling
• ? energieoverdracht
• Energiebron nuttige energie

zon
mechanische beweging
wind (kin.energ.)
brandstof
elektriciteit
Waterenergie (pot. energ.)
warmte
Nucleaire energie
4
Thermodynamica

• Inleiding

• Enkele voorbeelden van energieomzettingen
• 1. Waterkrachtcentrale potentiële energie
  watermassa ? waterturbine ? elek. en.

5
Thermodynamica

• Inleiding

• Enkele voorbeelden van energieomzettingen
• 2. Klassieke thermische centrale
• verbrandingswarmte ? water naar stoom ?
  stoomturbine? elektrische energie

6
Thermodynamica

• Inleiding

• Enkele voorbeelden van energieomzettingen
• 3. Kerncentrale
• nucleaire energie ? warmte ? stoomproductie ?
  elek. en.

7
Thermodynamica

• Inleiding

• Enkele voorbeelden van energieomzettingen
• 4. Windmolen
• kin. energie wind ? elektrische energie

8
Thermodynamica

• Inleiding

• Enkele voorbeelden van energieomzettingen
• 5. Zonnecentrale
• zonne-energie? elektrische energie

Planta Solar 10, Sanlucar la Mayor, Spanje 11 MW
9
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen

• Stelsel Omgeving begrenzing

T, p
gas
Beïnvloeden elkaar
10
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen

• Open en gesloten systeem

energietransport
massatransport
GESLOTEN systeem
OPEN systeem
11
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen

• Open en gesloten systeem

12
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen

• Energie ?
• ? capaciteit om arbeid te verrichten
• BEHOUD VAN ENERGIE (1ste Hoofdwet v/d
• thermodynamica)
• energie in een stelsel kan op ? manieren
  opgeslagen worden

Potentiële energie kinetische energie
13
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen

• Energie ?
• Energie ? transformeren

14
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen

• Energie ?
• Energie ? transformeren
• ? transporteren

Wrijving ? Warmte naar
omgeving
15
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen

• Energie ?
• Energiebezit ? macroscopische energie
• ? microscopische energie (niet
  
• zichtbaar)
• Etot Ekin Epot U
• kJ of J

16
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen

• Energie ?
• Energiebezit ? macroscopische energie
• ? microscopische energie (niet
• zichtbaar)
• etot ekin epot u
• etot Etot / m
• kJ/kg of J/kg

17
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen

• Energie ?
• Energiebezit ? macroscopische energie
• ? microscopische energie (niet zichtbaar)
• inwendige energie
• vbn ?U - verwarmen van een voorwerp
• - samendrukken van een gas

18
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen

• Energie ?
• Energiebezit
• Energietransport ? WARMTE

19
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen

• Energie ?
• Energiebezit
• Energietransport ? WARMTE (Q of q)

uitwisseling t.g.v. DT 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 Toestandsver
andering ? adiabatisch (Q 0) ? isothermisch
(T cte)
20
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen

• Energie ?
• Energiebezit
• Energietransport ? WARMTE Q (in J)
• q Q / m (in J/kg)
• (in W of kW)

Q
Q-
stelsel
21
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen

• Energie ?
• Energiebezit
• Energietransport ? WARMTE (Q of q)
• ? ARBEID (W)
• elektrische arbeid We U.I.DT
• mechanische arbeid W ? F.ds
• arbeid van een veer Wveer ½ . k. (x2² - x1²)
• Volumearbeid WV afh. van toestandsverandering

22
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen

• Energie ?
• Energiebezit
• Energietransport ? WARMTE (Q of q)
• ? ARBEID (W)

23
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen

• Energie ?
• Energiebezit
• Energietransport ? WARMTE (Q of q)
• ? ARBEID (W)

W-
W
stelsel
Q en W zijn energie-interacties tussen stelsel en
omgeving. Stelsel kan energie bezitten maar GEEN
Q en/of W
24
Toestand van stelsels

• Inleiding
• begrippen
• 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, )

25
Toestand van stelsels

• Inleiding
• begrippen
• Toestand van
• stelsels

• Toestand van een stelsel
• toestandsgrootheden hebben een welbepaalde
  waarde
• ? stabiele toestand (evenwichtstoestand)
• ? onstabiele toestand
• Toestandsverandering
• wijziging van 1 of meerdere toestandsgrootheden

26
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen
• Toestand van
• stelsels

• Toestandsverandering

m 2 kg t1 20C V1 1,5 m³
m 2 kg t1 20C V1 2,5 m³
27
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen
• Toestand van
• stelsels

• Bijzondere toestandsverandering
• T cte (isotherme toestandsverandering)
• P cte (isobare toestandsverandering)
• V cte (isochore toestandsverandering)
• Q 0 (adiabatische toestandsverandering)
• ! Isotherm niet verwarren met adiabaat !

28
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen
• Toestand van
• stelsels

• Evenwichtige of quasi-statische
  toestandsverandering
• Begintoestand
• eindtoestand

evenwicht
Niet in evenwicht
toestandsverandering
evenwicht
29
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen
• Toestand van
• stelsels

• Voorbeeld

massa
toestand 1
toestand 2
30
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen
• Toestand van
• stelsels

• Voorbeeld

niet evenwichtige toestandsverandering
p
1
1 en 2 zijn evenwichtstoestanden
2
V
31
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen
• Toestand van
• stelsels

• Voorbeeld

evenwichtige toestandsverandering
p
1
2
V
32
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen
• Toestand van
• stelsels

• Reversibele toestandsveranderingen
• omkeerbare toestandsverandering die evenwichtig
  verloopt
• voorwaarden evenwichtig wrijvingsloos
• perfect omkeerbare toestandsverandering
  (wrijvingsloos)
• praktisch nooit mogelijk

33
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen
• Toestand van
• stelsels

• Geïsoleerd stelsel
• geïsoleerd van invloeden van de omgeving (Q
  0, W 0)
• ? toestandsverandering door onevenwicht
• ? thermisch geïsoleerd stelsel (Q 0)

34
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen
• Toestand van
• stelsels

• Soortelijke warmte
• hoeveelheid energie om 1kg van een stof 1C
  te laten ?
• c afh. van T en p

35
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen
• Toestand van
• stelsels

• Soortelijke warmte
• hoeveelheid energie om 1kg van een stof 1C
  te laten ?
• c afh. van T en p
• afh. van de soort warmtetoevoer ? cp
  of cv

Bij cte p wordt W geleverd ? cp gt cv
36
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen
• Toestand van
• stelsels

• Ideale gassen
• voor alle gassen met voldoende lage r
• ? 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)

37
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen
• Toestand van
• stelsels

• 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

38
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen
• Toestand van
• stelsels

• Oefeningen
• Hoe lang duurt het om 1 liter water van 60C
  door middel van
• een waterkoker (1000W) te laten koken?
• CH2O 4,185 kJ/kg.K

39
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen
• Toestand van
• stelsels

• Oefeningen
• Wanneer je 50 liter water van 40C mengt met 150
  liter water
• van 80C. Wat is dan de temperatuur van het
  gemengd water?

40
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen
• Toestand van
• stelsels

• Oefeningen
• We koelen een stalen blok (3 kg) van 650C in een
  oliebad
• (100kg, 10C) af. De temperatuur van de olie
  stijgt met 6C.
• Cstaal 0,5 kJ/kg.K
• Colie?

41
Algemene begrippen

• Inleiding
• begrippen
• Toestand van
• stelsels

• Oefeningen
• Een compressor zuigt lucht aan op een druk gelijk
  aan 1 atm.
• Tijdens de compressie van de aangezogen lucht
  blijft de
• temperatuur 27C, 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)