View
223
Download
3
Category
Preview:
Citation preview
Energijski in snovni tokovi
2
Sistem merskih enot Veličina Enota Simbol Definicija
Meter je dolžina poti, ki jo prepotuje svetloba v vakuumu v časovnem intervalu 1/299.792.485 sekunde.
Realizacija metra se vrši s pomočjo jodovega stabiliziranega helij-neonskega laserja z valovno dolžino 633 nm
in ponovljivostjo 3.10-11, čemur je ekvivalentno merjenje Zemljinega srednjega obsega s točnostjo 1 mm.
Meter je torej realiziran z naravnim pojavom. Naprava, ki realizira to definicijo, je primarni etalon z določeno
negotovostjo.
masa kilogram kg Masa je količina snovi, ki meri upiranje telesa pri pospeševanju in vplivu gravitacijskega polja na telo.
Kilogram je enak masi mednarodnega prototipa - prakilograma, ki ga hrani Mednarodni urad za uteži in mere
(BIPM) v Parizu. Ker je to kilogram po definiciji in se ne veže na noben naravni pojav ali zakonitost, ta
prakilogram nima negotovosti.
Sekunda je trajanje 9 192 631 770 period sevanja, ki ustreza prehodu med dvema hiperfinima nivojema
osnovnega stanja atoma cezija 133.
Ralizacija sekunde se vrši s pomočjo cezijeve ure, ki ima pogrešek eno sekundo v 300.000 letih.
Amper je jakost enosmernega električnega toka, ki povzroča v vakuumu pri prehodu skozi dva ravna, en meter
oddaljena, neskončno dolga, vzporedna vodnika z zanemarljivo majhnim krožnim presekom silo 2.10-7 N na
meter dolžine.
Realizacija ampera se vrši s pomočjo tokovne tehtnice.
termodinamična
temperatura
Kelvin je enota termodinamične temperature, ki je enaka 273,16 delu termodinamične temperature trojne točke
vode. Temperatura trojne točke vode v diagramu stanj ustreza trojnemu stanju, kjer so pri določenem tlaku v
ravnovesju vse tri agregatne faze čiste snovi: trdna (led), kapljevinska (tekoča voda), plinska (vodna para).
Realizacija termodinamične temperature temelji na trojni točki vode, (izvedeni v posebni celici) fiksne točke
ITS.Mol je tista množina snovi, ki vsebuje toliko delcev, kolikor je atomov v 12 gramih ogljikovega izotopa
12C.
Mol ni realiziran neposredno iz definicije, pač pa na različne posredne načine.
Kandela je svetilnost vira sevanja v določeni smeri, ki oddaja monokromatsko sevanje s frekvenco 540 THz in
katerega energijska jakost v tej smeri je 1/683 (W/sr).
Realizacija kandele se vrši s pomočjo kyrogenskega radiometra, ki primerja učinek segrevanja optičnega
sevanja z električno močjo
dolžina meter m
čas sekunda s
električni tok amper A
kelvin K
množina snovi mol mol
svetilnost kandela cd
Energije in okolje 2015/2016
3
Energijski viri, pretvorba in raba
Energije in okolje 2015/2016
4
Kaj je energija?
Energija je sposobnost vplivanja na okolico. (M. Planck)
Vrste energij – nakopičene in prehodne energije
Nakopičene energije (v dani obliki jih lahko zadržimo
poljubno dolgo)
- potencialna (lega sistema)
- kinetična (gibanje sistema, translacija, rotacija)
- notranja (notranjost sistema, makroskopsko nedefirana)
- kalorična (na ravni molekul)
- kemična (na ravni atomov)
- jedrska (na ravni atomskih jeder)
- in druge oblike (električna kapacitivnost, induktivnost, … )
Oblike shranjevanja energije
Energije in okolje 2015/2016
5
Definicija odvoda
Odvod: sekanta tangento
0 0( ) ( )tan
f x x f x
x
0 00
0
( ) ( )( ) lim
x
f x x f xf x
x
dyy
dx
Energije in okolje 2015/2016
6
Oblike shranjevanja energije
Energije in okolje 2015/2016
7
Oblike shranjevanja energije
Energije in okolje 2015/2016
8
Osnove
Energija
Energija je sposobnost vplivanja na okolico. (M. Planck)
druge definicije: Sposobnost biti aktiven;
Sposobnost za opravljanje dela;
Enota: [J - Joule] 1 J = 1 kg m2 s-2
Vrsta energij, valovna dolžina sevanja in aktivnost molekul,
atomov in njihovih delcev
Energije in okolje 2015/2016
9
Koliko dela lahko dobimo iz toplote?
Th
Qh
Qc
W = Qh – Qc
Tc
Topel izvor
Hladen ponor
Oddana toplota iz izvora
Sprejeta toplota v ponoru
Delo:
Področje:
Termodinamika
Delo; Toplota – prehajajoča energija kot posledica temperaturne razlike
Način prenosa toplote
Področje:
Prenos toplote
Energije in okolje 2015/2016
10
Zakon o ohranitvi energije, mase ali momentov
shranjengeneriranizstopvstop XXXX
- energija
- masa
- moment
X
Časovni interval t 2 – t 1
vstop izstop generiran shranjenm m m m
Energije in okolje 2015/2016
11
Časovni trenutek t
X
shranjengeneriranizstopvstop XXXX
Zakon o ohranitvi energije, mase ali momentov
- Energijski
tok, W=J/s
- Masni tok,
kg/s
Energije in okolje 2015/2016
12
Glavni zakoni termodinamike
Aksiom, temelji na izkušnjah, ne da se ga dokazati
na osnovi matematičnih dokazov.
Ničti glavni zakon termodinamike
Prvi glavni zakon termodinamike
Drugi glavni zakon termodinamike
Energije in okolje 2015/2016
13
Ničti glavni zakon termodinamike
Termično ravnotežje
+
vroč hladen toplotni tok topla
teče iz A v B A in B
Temperatura – veličina, ki kaže smer toplotnega toka.
A A B B B A
Energije in okolje 2015/2016
14
Ničti glavni zakon termodinamike
Ničti glavni zakon termodinamike
Če sta dva sistema v termičnem ravnotežju s
tretjim sistemom, potem sta oba sistema tudi
v medsebojnem termičnem ravnotežju.
Če sta v termičnem ravnotežju
in sta v termičnem ravnotežju,
potem
sta tudi in v termičnem ravnotežju.
Če imata dva sistema enako temperaturo kot tretji sistem, potem imata tudi medsebojno enako temperaturo.
Če en sistem deluje kot termometer, potem imajo , in
enako temperaturo.
T[K] = T[oC] + 273,15
A
A
C
B C
B
B A C
Energije in okolje 2015/2016
15
Ničti glavni zakon termodinamike
Temperatura je merilo makroskopskega stanja molekul sistema.
Temperaturna skala
K - Kelvin oC - stopinja Celzija
T[K] = T[oC] + 273,15
Energije in okolje 2015/2016
16
Splošna plinska enačba pV=mRT
Idealni plin
p – tlak [Pa], T – temperatura [K], V – volumen [m3], m – masa [kg]
n – molska količina [kmol], m=nM , M – molska masa [kg/kmol]
R – plinska konstanta [J/kgK]
Rm – splošna plinska konstanta 8314,3 J/kmolK , R=Rm/M
izoterma – T=konst.
izobara – p=konst.
izohora – V=konst.
specifične veličine
(masne, molske):
v =V/m [m3/kg]
vm =V/n [m3/kmol]
primerljivost procesov!
1m
pV pV pV
mRT nMRT nR T
Energije in okolje 2015/2016
17
Splošna plinska enačba pV=mRT
Energije in okolje 2015/2016
18
Splošna plinska enačba z=pV/(mRT)
Realni fluid pV/(mRT)=z
Energije in okolje 2015/2016
19
Splošna plinska enačba
Sestava suhega zraka na nadmorski višini 0 m
pzraka=f(h)
Energije in okolje 2015/2016
20
Prvi glavni zakon termodinamike
Adiabatni sistem - toplota ne prehaja preko meje sistema.
Endotermen proces – v adiabatnem sistemu padec temperature
zaradi absorbiranja toplote med procesom.
Eksotermen proces – v adiabatnem sistemu dvig temperature
zaradi sproščanja toplote med procesom.
Energije in okolje 2015/2016
21
Prvi glavni zakon termodinamike
Termodinamika – veda o energijskih pretvorbah
Sistem – odprt, zaprt, adiabatno izolirani sistem
Sistem – omejeno območje, ki nas posebej zanima.
Okolica – območje okoli opazovanega sistema, s katerim imamo ali pa
nimamo energijske in/ali snovne izmenjave.
(a) odprti sistem (b) zaprti sistem (c) adiabatno izolirani sistem
Energije in okolje 2015/2016
22
Prvi glavni zakon termodinamike
Toplota – prehajajoča energija kot posledica
temperaturne razlike
Zaprt sistem, dovajamo toploto Q in odvajamo delo W
Notranja energija U [J] – veličina stanja odvisna le od
stanja sistema in je neodvisna od poti, kako je bila
dosežena.
pri spremembi iz stanja 1 v stanje 2
v sistem vložena toplota, J
iz sistema pridobljeno delo, J
Prvi glavni zakon termodinamike: Notranja energija zaprtega izoliranega (adiabatnega)
sistema je konstantna.
Energija ne more nastati iz ničesar, niti ne more izginiti.
2 1 12 12U U U Q W
12Q
12W
Energije in okolje 2015/2016
23
Prvi glavni zakon termodinamike
Odprti sistem – prehajanje snovi in energije preko
meje sistema, zato potrebujemo veličino stanja
sistema, ki zajema vsoto notranje energije U in
dela pV
Entalpija H [J] – veličina stanja, odvisna le od stanja
sistema in je neodvisna od poti, kako je bila dosežena.
Spremembo entalpije pri izobarnem dovodu
toplote (p = konst.) lahko merimo s kalorimetrom.
H U pV
12 pH Q
Energije in okolje 2015/2016
24
Prvi glavni zakon termodinamike
Infinitizimalna sprememba entalpije
( ) ( )( )
0
(volumsko delo, delo enkratne ekspanzije)
(tehnično delo)
konstanten tlak:
t
H dH U dU p dp V dV
U dU pV pdV Vdp dpdV
dpdV
dH dU pdV Vdp
dU dQ dW
dW pdV
dH dQ Vdp
dW Vdp
dH dQ
H U pV
Energije in okolje 2015/2016
25
Prvi glavni zakon termodinamike
Specifična veličina in specifična molska veličina
[J/kg] [J/kmol]
m – masa [kg] n – molska količina [kmol]
Standardna entalpijska sprememba – sprememba
entalpije procesa, kjer so začetne in končne substance v njihovih
standardnih stanjih
Standardno stanje: p = 1 bar = 105 Pa (1 atm=1,01325 bar)
Specifična standardna uparjalna entalpija (prehod iz kapljevitega
v parno (plinasto) stanje pri tlaku 1 bar
vap
oh
Hh
m m
Hh
n
Energije in okolje 2015/2016
26
Drugi glavni zakon termodinamike
Drugi glavni zakon termodinamike:
Toplota ne more prehajati sama od sebe s telesa z nižjo
temperaturo na telo z višjo temperaturo.
V naravi so vsi procesi nepovračljivi.
Vsi procesi, pri katerih nastopa trenje,
so nepovračljivi.
Ni mogoč periodično delujoč stroj, ki bi
črpal toploto iz kalorične notranje energije
enega samega telesa in to toploto pretvarjal
v delo, ne da bi pri tem še druga, pri tem
dogodku udeležena telesa utrpela trajne
spremembe.
Energije in okolje 2015/2016
27
Drugi glavni zakon termodinamike
Energije in okolje 2015/2016
28
Drugi glavni zakon termodinamike
Energije in okolje 2015/2016
29
Drugi glavni zakon termodinamike
Entropija S [J/K]
dS=
Pri povračljivih procesih lahko v delo pretvorimo
več energije kot pri nepovračljivih procesih
- sledi 0
0
pov pov
pov pov
pov pov
pov
dQ QS
T T
dW dW dW dW
dQ dQ dW dW
dQ
Notranja energija je veličina stanja in
je neodvisna od poti preobrazbe
0
pov pov
pov pov
dU dQ dW dQ dW
dQ dQ dW
d
dW
Q
Energije in okolje 2015/2016
30
Drugi glavni zakon termodinamike
Entropija S [J/K]
Entropija adiabatno izoliranega sistema narašča v smeri
spontane spremembe.
Entropija univerzuma stalno narašča.
sledi
Clausiusova neenakost
0
povpov
dQ dQdQ dQ
T T
dQdS dS
T
Energije in okolje 2015/2016
31
Tretji glavni zakon termodinamike
Entropija S [J/K]
je merilo urejenosti sistema.
Z višanjem neurejenosti sistema
entropija sistema raste.
Pri hlajenju nam entropija hladnega izvora
pada, zato ni mogoče spontanega prenosa
toplote iz hladnega izvora na topel ponor.
Tretji glavni zakon termodinamike:
Pri absolutni temperaturi 0 K
je entropija sistema enaka nič.
Gibbsova prosta energija G[J]
G H TS
H U pV
G U pV TS
Energije in okolje 2015/2016
32
Gibbsova prosta energija
Gibbsova prosta energija G[J]
S pomočjo odvodov termodinamičnih veličin lahko določimo
preostale termodinamične veličine stanja
G H TS
H U pV
G U pV TS
Energije in okolje 2015/2016
33
Kemijski reakcijski sistemi
Tvorbena entalpija Hfo, tvorbena entropija Sf
o in
tvorbena Gibbsova prosta energija Gfo
Hessov zakon
Standardna tvorbena entalpija celotne reakcije je vsota standardnih
tvorbenih entalpij posameznih reakcij, v katere lahko razdelimo celotno
reakcijo.
Specifične veličine h=H/m; s=S/m, g=G/m; delež: (med 0 in 1)
Standardno stanje snovi pri specificirani temperaturi je
njena čista oblika pri tlaku 1 bar.
0 0 0, ,
produkti reaktanti
f f i f is s s
0 0 0, ,
produkti reaktanti
f f i f ih h h
0 0 0, ,
produkti reaktanti
f f i f ig g g 0fh
Energije in okolje 2015/2016
34
Kemijski reakcijski sistemi
Primer uporabe Hessovega zakona
Energije in okolje 2015/2016
35
Kemijski reakcijski sistemi
Zgorevanje goriv
Stehiometični izračun (pozor: pazi na agregatno stanje!)
Zrak: 0,21 O2 + 0,79 N2 O2+3,76 N2
Presežek zraka
=4 (400% teoretičnega zraka, oziroma 300 % presežka zraka)
2 2 2 2 2( 3,76 )C H O N CO H O N
2 2 2 2
2 2
( )( 3,76 )4 2
+3,76 ( ) ( 1)( )4 4
C H O N CO H O
N O
Energije in okolje 2015/2016
36
Kemijski reakcijski sistemi
Zgorevanje goriv
Spontana reakcija: G<0
G>0 obratna reakcija je spontana
G=0 reakcija je v ravnotežju
reaktanti produkti
0 0 0f f fg h T s
Energije in okolje 2015/2016
37
Eksergija
Eksergija Eksergija – dela zmožni del energije, merilo kakovosti energije; je tisti del energije, ki jo lahko pri dani okolici v celoti pretvorimo v drugo obliko energije. E [J]
Eksergija sistema predstavlja največje možno delo med procesom, ki vzpostavi sistem v termično ravnotežje z okolico.
Energija = eksergija + anergija
Primer: toplota Q = E + B
Pri vseh nepovračljivih procesih se eksergija zmanjšuje in se pretvarja v anergijo.
Anergija je odvisna od stanja okolice, anergije ne moremo pretvoriti v eksergijo.
Pri nepovračljivih procesih entropija raste, eksergija pada.
Energije in okolje 2015/2016
38
Eksergija
Eksergija
Specifična eksergija vstopnega 1 in izstopnega 2 snovnega toka
glede na stanje okolice
Izguba eksergije= prirastek anergije
1 1 1
2 2 2
2 1 2 1 2 1
ok ok ok
ok ok ok
ok
e h h T s s
e h h T s s
e e h h T s s
Energije in okolje 2015/2016
39
Eksergija – merilo kakovosti energije
1953 did Slovene Professor Zoran Rant
suggest the name exergy. "Aus diesen Forderungen geht hervor, daß ăie" die
zweckmäßigste Nachsilbe sein wird. Da es sich bei dem
untersuchten Begriff um eine Arbeit handelt, muß als
Stammsilbe (als genus proximum) das griechische Wort erg
(on) hierfür erscheinen. Nun ist noch die richtige Vorsilbe zu
wählen, die die spezifische Eigenart, die differentia specifica,
hervorhebt. Hierfür gilt die Forderung, daß der neue Begriff die
Arbeit bezeichnen soll, die aus einem System herausgeholt
werden kann. ăAus" heißt auf Griechisch ăek" vor
Konsonanten bzw. ăex" vor Vokalen. Damit lautet der neue
Begriff Exergie: er erfüllt praktisch alle aufgestellten
Forderungen, und der Buchstabe x unterscheidet ihn klar vom
verwandten Begriff der Energie, so daß trotz der Analogie in
der Wortbildung jede Verwechslung ausgeschlossen bleibt. Der
Ausdruck kann in jede germanische, romanische oder
slawische Sprache eingeführt werden, er lautet z. B. auf
deutsch Exergie, auf englisch exergy, auf
französisch exergie, auf spanisch exergia,
auf italienisch essergia und auf slawisch
eksergija." Source: Göran Wall, University of Technology, Göteborg,
Sweden, Exergy – a Useful Concept
View of research: complexity
View of industry: benefit Energije in okolje 2015/2016
40
Eksergija
energijski
Izkoristek
Eksergijski izkoristek
Druga merila (lahko tudi večja od 1):
COP (Coeficient of performance)
energijska korist (pridobljeno delo)
energijski vložek (vložena toplota)
1
en
en
do
en
W
Q
eksergijska korist
eksergijski vložek
1
ex
od
ex
do
ex
E
E
COP=14 : T =293K, T =273K;
za odvod 10 kJ (30 g vode pretvorba v led)
potrebujemo 0,71 kJ dela.
c c
h c
h c
Q QCOP
W Q Q
Energije in okolje 2015/2016
41
Eksergija
energijski izkoristek – razmerje med energijo, ki je na razpolago po
procesu v željeni obliki in dovedeno energijo v proces
eksergijski izkoristek – razmerje med eksergijo, ki je na razpolago po
procesu in dovedeno eksergijo v proces
COP (Coeficient of performance) -
razmerje med energijo v želeni obliki
in dovedeno energijo, ki stane
energijska korist (pridobljeno delo)
energijski vložek (vložena toplota)
1
en
en
do
en
W
Q
eksergijska korist
eksergijski vložek
1
ex
od
ex
do
ex
E
E
c c
h c
Q QCOP
W Q Q
Energije in okolje 2015/2016
42
Carnotov krožni proces idealni plin
1 - izotermna povračljiva ekspanzija od A do B pri temperaturi Th
2 - adiabatna povračljiva ekspanzija od B do C, pri kateri
temperatura pade od Th na Tc
3 - izotermna povračljiva kompresija od C do D pri temperaturi Tc
4 - adiabatna povračljiva kompresija od D do A, pri kateri
temperatura naraste od Tc do Th (dosežemo začetno stanje A)
Carnotov energijski izkoristek
1
1
h c c
h h h
ch
h c
c
h
Q Q QW
Q Q Q
T T
T
T
ln ln
povračljiv adiabatni proces
ln ln ln
B Dh h c c
A C
A h D c C c B h
A h C c D c B h
A D
B C
D A Bc c c c
C B A
c
c
h
V VQ nRT Q nRT
V V
V T V T V T V T
V T V T V T V T
V V
V V
V V VQ nRT nRT nRT
V V V
nRTQ
Q
ln
ln
B
A c
hBh
A
V
V T
TVnRT
V
Energije in okolje 2015/2016
43
Eksergija
energijski in
eksergijski
tokovi
energijski in
eksergijski
izkoristek
Primer električne toplotne črpalke:
vložimo 1 enoto električne energije
in uporabimo dve enoti toplote iz
okolice ter preko procesa v toplotni
črpalki dobimo tri enote toplote npr.
za gretje prostora.
Energije in okolje 2015/2016
44
Eksergija
Interakcija med energijo, eksergijo in entropijo Temperatura v sistemu raste (npr. dovajamo toploto):
Z rastjo temperature v sistemu entropija sistema raste (veča se
neurejenost molekul v sistemu)
Rast temperature
V primeru (b) je manjša
nepovračljivost, ker nastopa
manjši temperaturni padec.
V primeru (b) je manjša
izguba eksergije.
V primeru (a) in (b) prenesemo enako toploto (energijo) 2000 kJ.
Energije in okolje 2015/2016
45
Eksergija
Primer eksergijskih
tokov
Švedska, 1994
Energije in okolje 2015/2016
46
Eksergija
Interakcija med energijo, eksergijo, okoljem in entropijo Pri nepovračljivih procesih entropija raste, eksergija pada.
Prenos
toplote
Energije in okolje 2015/2016
47
LCA in eksergija
Interakcija med življensko dobo in eksergijo
Energije in okolje 2015/2016
48
Eksergija in okolje
Idealno črno telo
80 oC
Asfalt
70 0C
Travnik
50 0C
Grmičevje
30 oC
Gozd
20 0C
Eksergija je lahko učinkovito merilo vpliva na okolico,
ker opisuje odmik stanja od okoliškega ravnotežja
Energije in okolje 2015/2016
49
Energije in okolje
Termodinamične in transportne lastnosti vode
Energije in okolje 2015/2016
50
Energije in okolje
Termodinamične in transportne lastnosti vode
Energije in okolje 2015/2016
51
Energije in okolje
Termodinamične in transportne lastnosti vode
Energije in okolje 2015/2016
Recommended