Školska godina 2020. / 2021. nauka o topini

Školska godina 2020. / 2021.

NAUKA O TOPINI

Ex Cathedra, Split, 18.1.2021. 1

Sadržaj

→ Uvod

→ Termodinamičke jedinice (unutarnja energija, toplina, temperatura)

→ temperaturno širenje tijela

→ prijenos topline

→ toplinski kapacitet

→ tlak/volumen/gustoća

→ termodinamički rad

→ zakoni termodinamike

→ kružni procesi,

→ Toplinski strojevi/bilanca/primjeri


Uvod

→ Nauka o toplini – zagrijavanje/hlađenje, promjena agregatnog stanja tijela,

→ načini nastanka topline:

- trenje,

- tlačenje / savijanje, utrošak mehaničkog rada

- sudar/udar,

- prolaz električne energije,

→ primjena termodinamičkih procesa:

- termometri,

- motori s unutrašnjim izgaranjem,

- industrijski procesi (rezanje, zavarivanje, lijevanje,..)


Unutarnja energija i toplina

→ unutarnja energija – energija molekula tijela ili energija kaotičnog kretanja molekula,

→ tijelo veće unutarnje energije predaje dio energije tijelu manje unutarnje energije –

zagrijani predmet u vodi,

→ količina promjene unutarnje energije – toplina Q [J],

→ Toplina – je energija koja prelazi s tijela koje ima višu temperaturu na tijelo koje ima

nižu temperaturu do izjednačenja temperatura, odnosno dok se ne izjednače njihove

unutarnje energije

→ formula za toplinu Q=m·c·ΔT [J],

→ c – specifični toplinski kapacitet [𝐽

𝑘𝑔 𝐾] - koju je količinu topline potrebno dovesti

jediničnoj masi neke tvari 1[kg] da joj se temperatura poveća za 1[°C] ili 1[K].



Temperatura

→ temperatura – mjera zagrijanosti tijela,

→ dovođenju tijela veće količine topline – povećanje temperature,

→ Temperaturu označavamo oznakom T i iskazujemo mjernom jedinicom kelvin [K],

→ oznaka t za temperaturu - mjernom jedinicom Celzijev stupanj [°C],

→ veća unutarnja energija – veća temperatura,

→ mjerni uređaji za temperaturu – termometri (živa, otporni, bimetalni, laserski, optički)

Temperatura

→ K = °C + 273,15 ---- °C= K – 273,15

→ temperaturne ljestvice:


Opis Kelvinova Celzijeva

Apsolutna nula 0 -273,15

Talište leda/ledište vode (pri

normalnom tlaku)273,15 0

Temperatura ljudskoga tijela 310,15 37

Vrelište vode 373,15 100

https://hr.wikipedia.org/wiki/Kelvin

https://hr.wikipedia.org/wiki/Celzijev_stupanj

https://hr.wikipedia.org/wiki/Tali%C5%A1te

https://hr.wikipedia.org/wiki/Vreli%C5%A1te

Temperatura


→ apsolutna temperatura – prestaje kretanje molekula,

→ t = - 273,15 [°C ] ili 0 [K ],

→ anomalija vode:

- volumen vode najmanji je pri 4 [°C], tada je i gustoća vode najveća,

- isti su volumeni pri 0 i 8[°C],

- pri zamrzavanju volumen vode se povećava i do 10%.


Temperaturno širenje tijela

→ širenje linearno/površinsko/volumsko kao reakcija na temperaturu,

→ povećanje temperature – povećanje brzine kretanja molekula – udaljavanje molekula –

povećanje zapremine tijela,

→ kod hlađenja – obrnuti proces (osim kod vode i rijetkih tvari),

→ LINEARNO RASTEZANJE:

Δl = lo · α · Δ t [mm], Δl – produljenje // α – koeficijent linearnog rastezanja [Kˉ¹],

→ štap duljine lo [mm] na razlici temperature Δ t[mm], produljiti će za Δl[mm],

→ Pr. lo = 3000 [mm], Δ t = 30° ---- Δl = 3000 · 12 · 10ˉ⁶ · 30°

→ Δl = 1,08 [mm],


Temperaturno širenje tijela - primjeri


Koeficijent linearnog rastezanja

→ veličina koeficijenta linearnog rastezanja – primjer Al ima veći koeficijent od Fe

materijalkoeficijent linearnog toplinskoga širenja αl /10–6 K–1

aluminij 23

bakar 17

beton 12

mjed 19

olovo 29

srebro 18

zlato 14

željezo 12

https://www.enciklopedija.hr/natuknica.aspx?ID=2044









Prijenos topline

→ tri načina prijenosa topline:

→ provođenje – kondukcija

- zagrijavanje krutih tvari – pr. šipke

→ strujanje - konvekcija

- zagrijavanje plinova – pr. okolnog zraka u blizini peći,

- zagrijavanje vode,

→ zračenje - radijacija

- sunčeva energija,

- termalne kamere,

- prijenos elektromagnetskim valovima.


→ sva tijela čija je temperatura > 0 [K] zrače energiju – toplinsko zračenje,

→ preko 500 [°C] prijenos topline zračenjem je dominantni mehanizam izmjene topline,

→

a= apsorcija / r= refleksija / t= transmisija

- crno tijelo a =1 / r=0 / t=0;

- realno tijelo a <1 / r≠0 / t≠0;

- crno tijelo u cijelosti apsorbira zračenje,

- hladnjaci / ljetna odjeća – bijela boja.

Prijenos topline – zračenje/radijacija

→ količina energije koju treba dovesti 1 [kg] da bi mu se temperatura podigla za 1 [K],

→ uređaj koji mjeru toplinsku vrijednost – kalorimetar,

→ specifični toplinski kapacitet – c [𝐽

𝑘𝑔𝐾] =

𝑄

𝑚∆𝑇--- iz Q= m ·c ·ΔT


Toplinski kapacitet tijela

Specifični toplinski kapacitet nekih čvrstih tvari i tekućina pri 25 °C.

tvar c/(J kg–1 K–1)

živa 140

željezo 450

bakar 385

cink 390

staklo 800

aluminij 900

vodena para 2030

led 2050

etanol 2440

voda 4200

→ kalorična vrijednost drveta:

→ tržišna vrijednost hrasta 822,00 [kn]

→ tržišna vrijednost jela 331,00 [kn]

Izvor: https://www.hrsume.hr/images/dok/proizvodi/cjenik_glavnih_sumskih_proizvoda_201804.pdf


Primjer toplinske vrijednosti – ogrijevna drva


→ u termodinamici tlak se odnosi na plinove, odnosno utjecaj molekula plina na stjenke

posude

→ umnožak tlaka i volumena je konstantan (pri stalnoj temperaturi), tj. p · V= const!

→ navedeno je poznato kao BoylMariot-ov zakon (T=konstanta – izoterma),

→𝑉1

𝑉2=

𝑝1

𝑝2

→ mjerna jedinica tlaka [𝑁

𝑚²] ili [bar],

→ podtlak p = pa – pv, podtlak je vrijednost za koliko je tlak u posudi < atm tlaka,

→ pretlak p = pa + pm, pretlak je vrijednost za koliko je tlak u posudi > atm tlaka

→ vrijednost p navedenih jednadžbi je apsolutni tlak,

→ izobara – stanje jednakih tlakova, p1 = p2

Tlak

→ mjerni uređaji za mjerenje tlaka:

- manometri, vakuummetri,

- U cijevi – na slici vrijednost H – podtlak,

- digitalni (medicina – mjerenje krvnog tlaka),


Tlak - nastavak


Utjecaj temperature na tlak, volumen, gustoću

→ porastom temperature:

- tlak unutar posude raste p≈T (pretpostavka – volumen je stalan - izohora)

– pr. motori s unutarnjim izgaranjem, kotao,

- volumen unutar posude raste – GayLussac-ov zakon V≈T pr. PTV i

- gustoća plina pada – topao zrak ide gore – pr. dimnjak,

→ p · V= m ·R ·T – jednadžba stanja plina, R – opća plinska konstanta 8.134 [𝐽

𝐾·𝑚𝑜𝑙]

→ gustoća – ρ = 𝑚

𝑉[𝑘𝑔

𝑚³] , primjeri gustoće


Termodinamički rad

→ rad je umnožak tlaka i volumena p ·V = A [J], mjerna jedinica je Joul

Tamniji dio površine loma nastao je kroz cikluse naprezanja, a počinje s ruba provrta,

→ izobarni (p=const) izohorni (V=const-nema rada) izotermni (T=const) adijabatski proces (Q=const)


Termodinamički rad


Termodinamički rad

→ Carnot kružni dijagram – opisuje rad rashladnih procesa,


Zakoni termodinamike

→ Termodinamika – temelji se na zakonima termodinamike,

→ 1. zakon –

Ukupna energija sustava i okoline je konstanta, ili energija se ne može

uništiti/stvoriti, ona se može samo transformirati iz jednog oblika u drugi.

Količina topline koja se preda sustavu ide na povećanje unutarnje energije

sustavu i na rad koji sustav izvrši na okolinu,


Zakoni termodinamike – 1. zakon


→ 2. zakon –

Nije moguće napraviti stroj koji bi radom uzimao toplinu iz spremnika

konstantne temperature i pretvarao je u ekvivalentnu količinu rada bez

promjena sustava/okoline - nema stroja s 100% učnikovitosti - perpetum

mobile nije moguć,

→ postoji i drugi oblik tumačenja 2. zakona:

Nije moguće napraviti stroj koji bi radom u kružnom procesu prenosio

toplinu s hladnijeg na topliji sustav bez promjena sustava/okoline,

Toplina uvijek prelazi iz područja više temperature u područje niže, obrnuto

ne ide spontano tj., bez intervencije izvana,

→ entropija s – pojam koji opisuje gubitke sustava ili veličinu nesređenosti sustava,


→ 3. zakon –

na apsolutnoj nuli prestaje svako toplinsko gibanje – entropija je

jednaka 0 ili promjena entropije sustava teži 0 ako temperatura teži

0.



→ usporedba D2 diesel goriva s dostupnim izvorima energije – toplinskim spremnicima:


Spremnici topline

→ Otto proces – benzinski motori – rad je površina omeđena krivuljama

→ 0-1 usis, 1-2 kompresija, 2-3 paljenje smjese, 3-4 ekspanzija i 4-0 ispuh - ispiranje


Kružni procesi


→ Diesel proces (rad je površina između krivulja)

→ 0-1 usis zraka, 1-2 kompresija, 2-3 ubrizgavanje goriva, 3-4 ekspanzija i 4-0 ispuh

→ rashladni proces - kružni ljevokretni

→ 1-2 kompresija, 2-3 kondenzacija, 3-4 ekspanzija, 4-1 isparavanje (medij preuzima

toplinu)


Kružni proces


Toplinski strojevi

→ u toplinskom stroju toplina se iz toplinskog spremnika predaje radnoj tvari,

→ prema toplinskoj bilanci jedan dio topline pretvara se u rad,

→ okvirne učinkovitosti toplinskih strojeva – grčko slovo Ƞ [čitaj:eta]

- benzinski 20%,

- diesel 35%,

- parne turbine 50%,

- plinske turbine 55%,

→ učinkovitost – udio topline pretvorene u mehanički rad


Toplinski strojevi - učinkovitost


Toplinski strojevi

→ mehanički rad je W = Qv – QH (2. zakon termodinamike – nemogućnost iskorištavanja

cjelokupne topline),

→ drugi spremnik – toplinska bilanca (okolina,…)

→ nije moguće u cijelosti pretvoriti Qv u W

→ dokaz 2. zakona termodinamike


Bilanca toplinskog stroja

→ Q zr – gubitci topline zraka,

→ Q isp – gubitci ispuha,

→ Q zr – gubitci hlađenja,

→ Q m – mehanički gubitci,

→ drugi način prikaza bilance


Bilanca toplinskog stroja

Primjeri toplinskog stroja

→ kotao



Primjeri toplinskog stroja

→ dizalica topline koristi energiju okoline (zraka/tla/podzemne vode/morske vode) te je

podiže na višu energetsku razinu – korištenje dostupne/besplatne/neiscrpne energije,

→ pr. okolni zrak 32[°C] – tlo 21 [°C] – hlađenje unutarnjeg zraka 24 [°C],

→

Školska godina 2020. / 2021. nauka o topini

Documents