THERMODYNAMICA Hoofdstuk 1 + 2 ing. Patrick Pilat lic. Dirk Willem

Algemene begrippen Belang van thermodynamica: CV Inleiding Belang van thermodynamica: CV Menselijk lichaam (comforteisen) Verbrandingsmotoren, turbines … Huishoudtoestellen (frigo, dvd-speler, pc …) Ontwerpen van machines (afmetingen, materiaal, DT …) …

Waterenergie (pot. energ.) Thermodynamica Inleiding Thermodynamica  energie-wisseling  energieoverdracht Energiebron nuttige energie zon mechanische beweging wind (kin.energ.) brandstof elektriciteit Waterenergie (pot. energ.) warmte Nucleaire energie

Thermodynamica Enkele voorbeelden van energieomzettingen Inleiding Enkele voorbeelden van energieomzettingen 1. Waterkrachtcentrale: potentiële energie watermassa → waterturbine → elek. en.

Thermodynamica Enkele voorbeelden van energieomzettingen Inleiding Enkele voorbeelden van energieomzettingen 2. Klassieke thermische centrale: verbrandingswarmte → water naar stoom → stoomturbine→ elektrische energie

Thermodynamica Enkele voorbeelden van energieomzettingen Inleiding Enkele voorbeelden van energieomzettingen 3. Kerncentrale: nucleaire energie → warmte → stoomproductie → elek. en.

Thermodynamica Enkele voorbeelden van energieomzettingen 4. Windmolen: Inleiding Enkele voorbeelden van energieomzettingen 4. Windmolen: kin. energie wind → elektrische energie

Planta Solar 10, Sanlucar la Mayor, Spanje: 11 MW Thermodynamica Inleiding Enkele voorbeelden van energieomzettingen 5. Zonnecentrale: zonne-energie→ elektrische energie Planta Solar 10, Sanlucar la Mayor, Spanje: 11 MW

Algemene begrippen Stelsel Omgeving begrenzing Beïnvloeden elkaar Inleiding begrippen Stelsel Omgeving begrenzing T, p … gas Beïnvloeden elkaar

Algemene begrippen Open en gesloten systeem GESLOTEN OPEN systeem Inleiding begrippen Open en gesloten systeem energietransport massatransport GESLOTEN systeem OPEN systeem

Algemene begrippen Inleiding begrippen Open en gesloten systeem

Potentiële energie kinetische energie 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 transformeren Potentiële energie kinetische energie transporteren Arbeid en/of warmte

Algemene begrippen Energie ? Energie  transformeren Ekin Epot Epot Inleiding begrippen Energie ? Energie  transformeren Ekin Epot Epot

Algemene begrippen Energie ? Energie  transformeren  transporteren Inleiding begrippen Energie ? Energie  transformeren  transporteren Ekin Epot Epot Epot Wrijving  Warmte naar omgeving

Algemene begrippen Etot = Ekin + Epot + U [kJ of J] Energie ? Inleiding begrippen Energie ? Energiebezit  macroscopische energie  microscopische energie (niet zichtbaar) Etot = Ekin + Epot + U [kJ of J]

Algemene begrippen etot = Etot / m etot = ekin + epot + u Inleiding begrippen Energie ? Energiebezit  macroscopische energie  microscopische energie (niet zichtbaar) etot = ekin + epot + u etot = Etot / m [kJ/kg of J/kg]

Algemene begrippen Energie ? Energiebezit  macroscopische energie Inleiding begrippen Energie ? Energiebezit  macroscopische energie  microscopische energie (niet zichtbaar) = inwendige energie vb’n ∆U: - verwarmen van een voorwerp - samendrukken van een gas

Algemene begrippen Energie ? Energiebezit Energietransport  WARMTE Inleiding begrippen Energie ? Energiebezit Energietransport  WARMTE

Algemene begrippen Energie ? Energiebezit 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 Toestandsverandering  adiabatisch (Q = 0)  isothermisch (T = cte)

Algemene begrippen Energie ? Energiebezit Inleiding begrippen Energie ? Energiebezit Energietransport  WARMTE Q (in J) q = Q / m (in J/kg) (in W of kW) Q+ Q- stelsel

Algemene begrippen Energie ? Energiebezit 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

Algemene begrippen Energie ? Energiebezit Inleiding begrippen Energie ? Energiebezit Energietransport  WARMTE (Q of q)  ARBEID (W)

Algemene begrippen Energie ? Energiebezit 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

Toestand van stelsels Toestandsgrootheden: 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, …)

Toestand van stelsels Toestand van een stelsel: Toestandsverandering: 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

Algemene begrippen Toestandsverandering: m = 2 kg °t1 = 20°C Inleiding begrippen Toestand van stelsels Toestandsverandering: m = 2 kg °t1 = 20°C V1 = 1,5 m³ m = 2 kg °t1 = 20°C V1 = 2,5 m³

! Isotherm niet verwarren met adiabaat ! 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 !

toestandsverandering Algemene begrippen Inleiding begrippen Toestand van stelsels Evenwichtige of quasi-statische toestandsverandering Begintoestand eindtoestand evenwicht Niet in evenwicht toestandsverandering evenwicht

Algemene begrippen Voorbeeld massa toestand 1 toestand 2 Inleiding Toestand van stelsels Voorbeeld massa toestand 1 toestand 2

Algemene begrippen Voorbeeld p 1 2 V Inleiding begrippen Toestand van stelsels Voorbeeld niet evenwichtige toestandsverandering p 1 1 en 2 zijn evenwichtstoestanden 2 V

evenwichtige toestandsverandering Algemene begrippen Inleiding begrippen Toestand van stelsels Voorbeeld evenwichtige toestandsverandering p 1 2 V

Algemene begrippen Reversibele toestandsveranderingen Inleiding begrippen Toestand van stelsels Reversibele toestandsveranderingen = omkeerbare toestandsverandering die evenwichtig verloopt voorwaarden: evenwichtig + wrijvingsloos perfect omkeerbare toestandsverandering (wrijvingsloos) = praktisch nooit mogelijk

Algemene begrippen Geïsoleerd stelsel 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)

Algemene begrippen Soortelijke warmte Inleiding begrippen Toestand van stelsels Soortelijke warmte = hoeveelheid energie om 1kg van een stof 1°C te laten ↑ c = afh. van T en p

Bij cte p wordt W geleverd  cp > cv Algemene begrippen Inleiding begrippen Toestand van stelsels Soortelijke 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 Bij cte p wordt W geleverd  cp > cv

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

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

Algemene begrippen Oefeningen: Inleiding begrippen Toestand van stelsels 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

Algemene begrippen Oefeningen: Inleiding begrippen Toestand van stelsels 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?

Algemene begrippen Oefeningen: Inleiding begrippen Toestand van stelsels 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?

Algemene begrippen Oefeningen: 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 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)