Energijski in snovni tokovi - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/energije_in_okolje/eo-predavanje-P5.pdf · 1953 did Slovene Professor Zoran Rant suggest the name exergy. "Aus diesen

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


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


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


6



7



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


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


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


11

Časovni trenutek t

X

shranjengeneriranizstopvstop XXXX

Zakon o ohranitvi energije, mase ali momentov

- Energijski

tok, W=J/s

- Masni tok,

kg/s


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


13


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


14



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


15


Temperatura je merilo makroskopskega stanja molekul sistema.

Temperaturna skala

K - Kelvin oC - stopinja Celzija

T[K] = T[oC] + 273,15


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


17

Splošna plinska enačba pV=mRT


18

Splošna plinska enačba z=pV/(mRT)

Realni fluid pV/(mRT)=z


19

Splošna plinska enačba

Sestava suhega zraka na nadmorski višini 0 m

pzraka=f(h)


20


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.


21


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


22


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


23


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


24


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


25


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


26


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.


27



28



29


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


30


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


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


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


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


34


Primer uporabe Hessovega zakona


35


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


36


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


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.


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


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


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


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

QQ

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


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.


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.


45

Eksergija

Primer eksergijskih

tokov

Švedska, 1994


46

Eksergija

Interakcija med energijo, eksergijo, okoljem in entropijo Pri nepovračljivih procesih entropija raste, eksergija pada.

Prenos

toplote


47

LCA in eksergija

Interakcija med življensko dobo in eksergijo


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


49

Energije in okolje

Termodinamične in transportne lastnosti vode


50

Energije in okolje



51

Energije in okolje



Documents

Energijski in snovni tokovi - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/energije_in_okolje/eo-predavanje-P5.pdf · 1953 did Slovene Professor Zoran Rant suggest the name exergy. "Aus diesen