Untitled

EGZAMIN-TEORIA

Definicja ciśnienia

• Ciśnienie jest intensywnym parametrem stanu

  • Definiuje się je jako stosunek siły do powierzchni.

  • Wzór:
    $p = \frac{F}{A} ext{ [Pa]}$

  • Graficzna interpretacja ciśnienia:

  • Ciśnienie bezwzględne (P):

    • Ciśnienie względem próżni;

    • Oznaczenie: $P = P{d} + P{a}$

    • Przykład: P=101325 Pa (ciśnienie atmosferyczne).

  • Podciśnienie (P_w):

    • Ciśnienie poniżej atmosferycznego;

    • Zależy od różnicy między ciśnieniem atmosferycznym a ciśnieniem w układzie:
      $P<em>w = P</em>b - P$

  • Nadciśnienie (P_n):

    • Ciśnienie powyżej atmosferycznego;

    • Zależność:
      $P<em>n = P - P</em>{b}$

  • Ciśnienie statyczne (P_st):

    • Opisuje ciśnienie w płynie w urządzeniach hydraulicznych.

  • Ciśnienie dynamiczne (P_d):

    • Opisuje ciśnienie w płynie poruszającym się, prostopadle do kierunku prędkości.

    • Wzór:
      $P_d = \frac{1}{2} \rho v^2$
      gdzie:

    • $
      ho$ = gęstość płynu,

    • $v$ = prędkość płynu.

  • Ciśnienie całkowite (P_c):

    • Suma ciśnienia statycznego i dynamicznego:
      $P<em>c = P</em>{st} + P_d$

  • Ciśnienie hydrostatyczne (P_h):

    • Opisuje ciśnienie w polu grawitacyjnym.

    • Wzór:
      $P_h = S \cdot g \cdot h$
      gdzie:

    • $S$ = gęstość płynu,

    • $g$ = przyspieszenie grawitacyjne,

    • $h$ = wysokość.

  • Zasada Bernoulliego: $P + \frac{\rho v^2}{2} + \rho g h = const$

    • Wniosek:

    • Jeżeli płyn się porusza, to ciśnienie wzrasta.

Układ termodynamiczny

• Układ termodynamiczny: definiuje część przestrzeni wyodrębnioną przez bariery bilansowe z otoczenia.

• Trzy rodzaje układów:

  1. Układ zamknięty (Closed system):

     • Nie odpływa ani nie dopływa substancja, ale może wymieniać energię.

  2. Układ otwarty (Open system):

     • Substancja i energia mogą przepływać przez bariery bilansowe.

  3. Układ odizolowany (Isolated system):

     • Nie przepływa ani substancja ani energia.

  4. Układ adiabatyczny:

     • Nie ma wymiany energii pod postacią ciepła, ale może wymieniać energię w postaci pracy.

Parametry stanu

• Parametr stanu: makroskopowe wielkości fizyczne, które można zmierzyć.

• Wyróżniamy:

  • Parametry intensywne: niezależne od wielkości układu (np. ciśnienie, temperatura).

  • Parametry ekstensywne: zależne od wielkości układu (np. masa, objętość, energia).

• Uniwersalna stała gazowa: stała fizyczna definiowana jako $R = 8314,33 ext{ [J/(kmol·K)]}$

  • Dla jednego kmola gazu doskonałego przy wzroście o 1 K.

Zasady termodynamiki

Pierwsza zasada termodynamiki

• Zasada zachowania energii w układzie otwartym i zamkniętym:

  • Dla układu zamkniętego: $\Delta U = Q - W$ gdzie:

    • $\Delta U$ = zmiana energii wewnętrznej,

    • $Q$ = wymiana ciepła,

    • $W$ = wykonana praca.

Praca techniczna w układzie

• Definicja: praca wykonana w cyklu to:

  • $L = \int P \, dV$

• Na przykładzie układu tłok-cylinder:

  1. Po otwarciu zaworu dolotowego do cylindra dopływa czynnik (płyn statyczny). Wykonywana jest praca objętościowa:
     $L = P<em>1 V</em>A$

  2. Po zamknięciu dolotowego, czynnik ekspanduje przy stałym ciśnieniu.

  3. Powracający tłok musi wytłoczyć cały czynnik przy stałym ciśnieniu $P_2$.

Temperatura i równowaga

• Temperatura empiryczna: dla każdego ciała prostego występuje funkcja stanu, która dla wszystkich uczestniczących w równowadze termicznej ma tę samą wartość.

• Równowaga termodynamiczna oznacza stan, w którym wszystkie parametry stanu i wszystkie jego funkcje stanu są stałe w czasie.

• W stanie równowagi muszą być spełnione zasady równowagi mechanicznej, termodynamicznej i chemicznej.

Przejścia fazowe

• Przejścia fazowe: zmiana stanu skupienia ciała chemicznego w danym ciśnieniu i temperaturze.

• Podział na trzy obszary:

  1. Ciała stałego

  2. Ciecze

  3. Gazy

• Może współistnieć na tym samym wykresie (ciencia).

Obieg Carnota

• Obieg Carnota: cykl procesów, który stanowi idealny model dla silnika cieplnego.

  • Zasady:

  1. Proces adiabatyczny

  2. Proces izotermiczny

  3. Proces izobaryczny

  4. Proces izochoryczny

• Sprawność obiegu Carnota: $\eta = 1 - \frac{T<em>C}{T</em>H}$ gdzie:

  • $T_C$ = temperatura niskotemperaturowa,

  • $T_H$ = temperatura wysokotemperaturowa.

Obieg Otto

• Obieg Otto: cykl pracy silnika spalinowego z zapłonem iskrowym.

• Procesy:

  1. Proces adiabatyczny (przyrost objętości).

  2. Proces izochoryczny (spalanie).

  3. Proces adiabatyczny (rozszerzenie).

  4. Proces izochoryczny (wydech).

• Równania związane z pracą:
  $L = C<em>v (T</em>2 - T<em>1)$ gdzie $Cv$ = ciepło właściwe przy stałej objętości.

Wnioski

• Analiza procesów termodynamicznych z różnych aspektów pozwala na zrozumienie i optymalizację wielu systemów energetycznych takich jak silniki cieplne, pompy ciepła i różne procesy przemysłowe.