Download
1 / 29
300 likes | 451 Views
Hoofdstuk 6 THERMODYNAMICA. lic. Dirk Willem. De 2 e hoofdwet. Inleiding. Inleiding: 1ste hoofdwet: zegt niets over de richting waarin een proces spontaan verloopt Meestal: - proces verloopt in 1 richting spontaan
E N D
Hoofdstuk 6THERMODYNAMICA lic. Dirk Willem
De 2e hoofdwet • Inleiding Inleiding: 1ste hoofdwet: zegt niets over de richting waarin een proces spontaan verloopt Meestal: - proces verloopt in 1 richting spontaan - proces in omgekeerde richting alleen mogelijk door uitwendige invloeden. Voorbeelden: - proef van Joule - 2 voorwerpen met ≠ temp. in contact brengen - tas met warme koffie in koelkast koelt af.
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron Warmtebron of warmtereservoir: = lichaam met relatief grote warmtecapaciteit dat eindige hoeveelheden warmte kan opnemen of afgeven zonder verandering van temperatuur Voorbeelden: rivier, oceaan, atmosfeer, …
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet 2de hoofdwet: Formulering van Kelvin-Plank: Het is onmogelijk een periodiek werkende machine te vervaardigen die niets anders doet dan warmte aan één warmtebron te onttrekken een een equivalente hoeveelheid arbeid te leveren aan de omgeving Vb.: - Inwendige energie van de zee omzetten in arbeid KAN NIET WEGENS 2de hoofdwet
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet 2de hoofdwet: Formulering van Kelvin-Plank: - thermische motor, vb. stoomcyclus
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet 2de hoofdwet: Formulering van Clausius: Het is onmogelijk een zelfwerkende machine te vervaardigen die niets anders doet dan warmte van een lichaam op lage temperatuur over te brengen naar een lichaam op hoge temperatuur Warmte opnemen op Tlaag en afgeven op Thoog: • kan niet spontaan gebeuren • door arbeid te leveren aan het systeem door de omgeving
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet 2de hoofdwet: Formulering van Clausius: Voorbeelden: • koelmachine • warmtepomp
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet 2de hoofdwet: Koelmachine of warmtepomp: TH Quit Wt=Quit-Qin Qin TL
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische • motor Thermische motor: Vaststellingen: • Arbeid kan volledig omgezet worden naar warmte - Warmte omzetten naar arbeid gebeurt met een thermische motor
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische • motor Thermische motor: Karakteristieken: • ontvangen warmte van een warmtebron op hoge T • converteren een deel van deze warmte in arbeid • geven resterende warmte af aan een bron lage T - Werken als kringproces
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische • motor Thermische motor: Stoomplant: Wturbine = Wuit turbine Qketel= Qin ketel Qcondensor= Quit condensor Wpomp =Win
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische • motor Thermische motor: Stoomplant: Kringproces: Σ wt = wnet,uit = Σ q (in kJ/kg) Σ Wt = Wnet,uit = Σ Q (in kJ, gedurende ∆t) Wnet,uit = Wuit – Win = Wturbine – Wpomp Σ Q = Qin – Quit Wnet,uit = Qin – Quit Wturbine = Wuit turbine Qketel= Qin ketel Qcondensor= Quit condensor Wpomp =Win
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische • motor Thermische motor: Stoomplant: TH Wuit turbine Qin Wnet,uit=Qin-Quit Quit Qin ketel Quit condensor Win TL
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische • motor Thermische motor: Wnet,uit = Wuit – Win enWnet,uit = Qin – Quit Thermische efficiëntie of thermisch rendement:
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische motor 2de hoofdwet en de thermische motor: Kan men de condensor uit de cyclus wegnemen? NEEN Besluit: Iedere thermische motor moet een hoeveelheid warmte afgeven aan een bron op lage temperatuur (2 warmtebronnen nodig !) Thermische motor: thermisch rendement < 100% Wturbine = Wuit turbine Qketel= Qin Qketel= Qin Qketel= Qin ketel ketel ketel Qcondensor= Quit condensor condensor condensor Wpomp =Win Wpomp =Win Wpomp =Win
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische motor • Irreversibiliteit Reversibele en niet reversibele processen: Reversibel proces: proces dat omgekeerd kan worden zonder sporen achter te laten in het stelsel of omgeving Irreversibel proces: proces dat niet reversibel verloopt Reversibel proces : - bestaat niet in de werkelijkheid • is een ideaal proces Arbeidsproducerende machines (motoren) leveren max. arbeidals ze reversibel werken Arbeidsconsumerende machines (pompen, …) vragen min. arbeidals ze reversibel werken
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische motor • Irreversibiliteit Irreversibiliteit: 1. Wrijving twee lichamen in contact bewegen t.o.v. elkaar • arbeid omgezet in warmte • temperatuur lichamen stijgt Als de beweging omkeert • opnieuw arbeid omgezet in warmte • opnieuw temperatuur lichamen stijgt Conclusie: stelsel en omgeving keren niet terug naar begintoestand irreversibel
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische motor • Irreversibiliteit Irreversibiliteit: 2. Snelle expansie of compressie snelle compressie: gasmoleculen stapelen zich op vóór de zuiger waardoor grotere druk dan bij trage compressie meer arbeid nodig dan bij trage (evenw.) compressie
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische motor • Irreversibiliteit Irreversibiliteit: 2. Snelle expansie of compressie snelle expansie: gasmoleculen volgen niet waardoor kleinere druk dan bij trage expansie minder arbeid geleverd dan bij trage expansie
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische motor • Irreversibiliteit Irreversibiliteit: 2. Snelle expansie of compressie |Wcompr| > |Wexp| Wnet = |Wexp| - |Wcompr| < 0 1e hoofdwet: ∆U = -Wnet > 0 (adiabatisch) • teveel aan inw. energie terug naar omgeving in de vorm van warmte • deze warmte kan niet volledig omgezet worden in arbeid conclusie: een niet evenwichtige compressie of expansie is irreversibel
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische motor • Irreversibiliteit Irreversibiliteit: 3. warmtetransport bij eindig temperatuurverschil koud glas water in warme kamer: • T water stijgt • warmtetransport van lucht naar koud water glas water terug naar begintoestand: in koelkast zetten • omgeving niet terug in begintoestand wegens ∆Uomgeving = |Wkoelkast| ∆U kan niet volledig omgezet worden naar arbeid conclusie: warmtetransport bij eindige ΔT is irreversibel
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische motor • Irreversibiliteit • Kringproces van Carnot Kringproces van Carnot: Thermische motoren werken volgen kringproces waarbij het werkend fluïdum terug in begintoestand komt na elke cyclus Wnetto = |arbeid verricht door fluïdum | – |arbeid verricht aan fluïdum| Wat doen om netto arbeid en rendement te maximaliseren? • gebruik toestandsveranderingen die minimale arbeid vragen • gebruik toestandsveranderingen die maximale arbeid leveren reversibele kringproces heeft hoogste rendement
De 2e hoofdwet Kringproces van Carnot bij gesloten stelsel: 12: reversibele isotherme expansie 23: reversibele adiabatische expansie 34: reversibele isotherme compressie 41: reversibele adiabatische compressie • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische motor • Irreversibiliteit • Kringproces van Carnot
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische motor • Irreversibiliteit • Kringproces van Carnot Principes van Carnot: • Het thermisch rendement van een irreversibele thermische motor is steeds lager dan het thermisch rendement van een reversibele thermische motor werkende tussen dezelfde twee warmtereservoirs. • Het thermisch rendement van alle reversibele thermische motoren werkend tussen dezelfde twee warmtereservoirs is gelijk.
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische motor • Irreversibiliteit • Kringproces van Carnot Thermisch rendement van Carnot: thermisch rendement algemeen: voor reversibele thermische motoren (vb. Carnotmotor): (= thermisch rendement van Carnot) Elk werkelijk (irreversibel) kringproces uitgevoerd met twee warmtebronnen (temp. TL en TH) heeft een rendement kleiner dan het rendement van het kringproces van Carnot werkend tussen dezelfde temperaturen.
Thermisch rendement maximaliseren:- zo hoog mogelijke TH- zo laag mogelijke TL De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische motor • Irreversibiliteit • Kringproces van Carnot Thermisch rendement van Carnot:
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische motor • Irreversibiliteit • Kringproces van Carnot Thermisch rendement van Carnot: Bewijs: stel dat WB > WA TH QH QH WA WB A B QLA= QH-WA QLB= QH-WB TL REVERSIBEL IRREVERSIBEL
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische motor • Irreversibiliteit • Kringproces van Carnot Thermisch rendement van Carnot: Bewijs: stel dat WB > WA TH QH QH WA WB A B QLA QLB TL REVERSIBEL IRREVERSIBEL
De 2e hoofdwet • Inleiding • Warmtebron • 2e hoofdwet • Thermische motor • Irreversibiliteit • Kringproces van Carnot Thermisch rendement van Carnot: Bewijs: QLA-QLB= (QH-WA)-(QH-WB) =WB- WA QH WA WB – WA > 0 WB B A A+B A QLA QLB QLA-QLB= WB- WA TL TL IRREVERSIBEL REVERSIBEL KAN NIET!!! (Kelvin-Planck)
