NoTiuni generale fundamentale - TERMOTEHNICA

Energie, surse si receptori de energie, forme de manifestare a energiei, unitati de masura.

Un corp poseda energie atunci cand poate provoca modificari in situatia existenta a corpurilor inconjuratoare; acel corp este numit sursa de energie. Prin receptor de energie se intelege corpul, care primind energie, produce modificari ale situatiei sale. Un corp care nu schimba energie cu alte corpuri este in repaos energetic si poseda energie sub forma potentiala. Energia poate fi pusa in evidenta atunci cand au loc schimburi de energie intre corpuri (activitate energetica), formele de manifestare depinzand de natura modificarilor suferite de corpuri si anume:

- modificarea starii de miscare sau de repaos a corpurilor, a formei si dimensiunilor lor pune in evidenta energia mecanica (lucrul mecanic).

- modificrea starii de agregare a corpurilor sau variatia temperaturii lor pune in evidenta energia termica (sau calorica) sau     caldura.

- modificarea proprietatilor chimice ale corpurilor pune in evidenta energia chimica.

Alte forme de manifestare a energiei: electrica, magnetica,atomica.

Prin energie a unui corp se intelege capacitatea acelui corp de a efectua un lucru mecanic. Principiul conservarii energiei stabileste ca: energia nu se distruge si nu se creeaza, poate fi transformata dintr-o forma in alta. Deci pentru orice forma de energie exista aceleasi dimensiuni si unitati. In SI de unitati, unitatea de masura a energiei de orice forma a fost stabilita pe baza energiei mecanice, dupa definirea lucrului mecanic (L):

1J=1Nx1m (Joule)

Intensitatea schimburilor de energie, adica puterea, reprezinta energia schimbata de corpul considerat in unitatea de timp:

(Watt)

Energetica, sisteme energetice, sisteme termodinamice, termodinamica, termotehnica.

Se considera doua corpuri: S (sursa de energie) si R (receptor de energie). Pentru a se putea efectua procesele dorite, adica schimburile de energie, este necesar ca intre S si R sa fie interpuse o serie de corpuri, denumite sisteme energetice (SE), care joaca rolul unor transformatori de energie. De functionarea sistemelor energetice se ocupa Energetica , o disciplina foarte vasta, care este studiata pe grupe restranse de forme de energie. Se definesc:

-Sistemul energetic este corpul care functioneaza ca transformator de energie.

-Energetica este o ramura a stiintelor fizice tehnice care studiaza sursele de energie, transformarile energiei dintr-o forma in alta precum si posibilitatile tehnico-economice de exploatare, de transport si de utilizare a diverselor forme de energie. In continuare vor fi studiate numai doua forme de energie: caldura si energia mecanica.

Sistemul termodinamic (ST) este un corp cu ajutorul caruia se realizeaza transformarea caldurii in energie mecanica (sistem direct) sau transformarea energiei mecanice in caldura (sistem invers).

- Termodinamica este o ramura a stiintelor fizico-matematice care are ca scop studiul caldurii si al transformarilor reciproce caldura-lucru mecanic, fara a se tine seama de posibilitatile aplicarii in practica.

- Termotehnica este o ramura a stiintelor tehnice care are ca scop studiul producerii, transformarii, transportului, transferului, utilizarii si masurarii energiei termice.

Postulatele termodinamicii, ecuatia fundamentala a sistemelor termodinamice, marimi de stare

- Doua corpuri finite cu temperaturi diferite ce sunt puse in contact termic prelungit ajung la echilibru termic.

- Doua corpuri in echilibru termic cu un al treilea sunt in echilibru termic intre ele. Aceste postulate sunt numite principiul zero al termodinamicii. Conform acestui principiu un termometru poate arata temperatura mediului in care este introdus. Pentru sistemele termodinamice, in loc de denumirea potential sau nivel energetic, se foloseste mai des notiunea de stare energetica. Presupunem ca exista trei corpuri izolate intre ele, dar care pot fi puse in legatura directa intre ele (Fig.1.1.): primul corp poate ceda energie numai sub forma de caldura (sursa donatoare de caldura sau sursa calda SC), al doilea corp (sistemul termodinamic ST) primeste caldura de la sursa calda si o transforma in energie mecanica pe care o cedeaza consumatorului de energie mecanica (CEM), iar al treilea corp poate primi energie numai sub

forma mecanica (consumator de energie mecanica -CEM).

Initial nivelul energetic (termic) al sistemului termodinamic (ST) este E₁. Stabilind legatura termica intre SC si ST, sistemul termodinamic va primi caldura Q, nivelul energetic al sisemului devenind E'=E₁+Q. Stabilind legatura mecanica intre ST si CEM, sistemul va ceda acestuia lucrul mecanic L, nivelul energetic al sistemului devenind :

E₂=E'-L=E₁+Q-L , deci pentru intreaga durata a schimbului de energie se poate scrie:    Q-L=DE=E₂-E₁

Schimburile de caldura si de lucru mecanic pot fi simultane pe intreaga durata a transformarii si se noteaza: Q=Q₁₂ si L=L₁₂, rezulta: Q₁₂-L₁₂=E₂-E₁

Pentru o durata de timp infinit de mica (dt) a transformarii, se poate scrie ecuatia sub forma diferentiala:    dQ-dL=dE   

dQ si dL - nu sunt diferentiale totale exacte.

Aceasta ecuatie reprezinta ecuatia primului principiu al termodinamicii sau ecuatia bilantului energetic. E₁ si E₂     reprezinta valori ale starii energetice a sistemului termodinamic in momentul initial si in momentul final al schimbului de energie, variatia starii energetice fiind:

DE= Daca sistemul este in repaos termodinamic schimburile de caldura si energie mecanica sunt nule, in timp ce starea termica a sistemului ramane constanta. Schimburile de caldura se efectueaza numai pe durata activitatii energetice a sistemului si depind de natura transformarii. Deci Q si L nu pot defini o stare energetica (nu sunt marimi de stare a sistemului). Se poate scrie:

;

Legea fundamentala a activitatii termodinamice a unui sistem termodinamic se poate enunta astfel: intr-o transformare termodinamica bilantul schimburilor de energie dintre sistem si sursele exterioare este echivalent cu variatia starii energetice a sistemului.

Scopul termodinamicii tehnice este de a determina toate formele ecuatiei primului principiu al termodinamicii pentru toate sistemele termodinamice utilizabile care executa diverse transformari termodinamice.

Marimi de stare Starea termica a unui sistem termodinamic nu poate fi masurata direct, ci este pusa in evidenta prin variatia unor marimi caracteristice denumite marimi de stare. Caracteristica fundamentala a acestor marimi este aceea de a-si relua valoarea initiala atunci cand sistemul revine la starea initiala. Marimile de stare (parametrii fundamentali) pot fi:

a-   marimi intensive (termice): nu depind de masa sistemului termodinamic. Aceste marimi sunt: temperatura, presiunea.

b-  Marimi extensive (calorice): depind de masa sistemului termodinamic. De exemplu: volumul, energia interna, entalpia, entropia. Daca prin e se noteaza o marime calorica de stare corespunzatoare pentru unitatea de masa a sistemului termodinamic, se poate scrie valoarea ei pentru interaga masa m a sistemului termodinamic : E=m·e sau pentru o variatie finita:

Temperatura Prin notiunea de temperatura a unui corp se intelege starea de incalzire a corpului. Valoarea temperaturii este proportionala cu energia moleculei. Temperatura se masoara fata de doua origini:

- fata de punctul triplu al apei pure (p=0,0061 bari, t=0⁰C)

- fata de punctul zero absolut.

Punctul triplu al apei este punctul de echilibru al celor trei stari de agregare ale apei:solida , lichida, vapori. Temperatura masurata fata de punctul triplu al apei se numeste temperatura relativa si se noteaza cu t, avand ca unitate gradul Celsius, notat 1⁰C. Punctul de zero absolut este definit ca temperatura la care ar inceta miscarile moleculelor gazului perfect. Temperatura masurata fata de punctul zero absolut se numeste temperatura absoluta, notata cu T, avand ca unitate gradul Kelvin, notat 1K. Fata de zero absolut, temperatura punctului triplu al apei este de 273,16 K. Intre temperatura absoluta si cea relativa exista relatia: T= t+273,16 K

Variatia temperaturii este exprimata prin aceiasi valoare, deoarece: DT=T₂-T₁=t₂-t₁=Dt ( ⁰C, K, grd ).

Presiunea Este o marime caracteristica fluidelor si reprezinta forta cu care fluidul apasa pe unitatea de suprafata a incintei. Se noteaza cu p si are ca unitate in SI de unitati 1Pa (Pascal).

[p]=

Ca unitate tolerata (des utilizata) se foloseste barul: 1bar=10⁵ Pa =10⁵ N/m².

Alte unitati de masura pentru presiune:

1At=760 mmHg - atmosfera fizica; 1bar=750 mmHg;

1at=735 mmHg=1kgf/cm²=98000N/m²=10m H₂O - atmosfera tehnica.

Pentru masurarea presiunii se folosesc doua scari de referinta (origini):

a - vidul absolut, fata de care se masoara presiunea absoluta p.

b-presiunea atmosferica, fata de care se masoara presiunea relativa (manometrica) p_r.

Prin vid absolut se intelege presiunea dintr-un spatiu lipsit de materie. Presiunea atmosferica p₀, masurata cu barometrul, este o presiune absoluta.

Presiunea relativa poate fi: suprapresiune (p>p₀; p_r>0) , depresiune sau vacuum (p<p₀; p_r<0) . Intre p si p_r exista relatia: p=p₀+p_r

Dilatarea termica Daca V₀ este volumul unui corp la 0 ^oC, iar V este volumul la temperatura t, variatia volumului corpului in raport cu V₀ este:

; DV=V-V₀

unde g (K^-1 este coeficient de dilatare volumica.

Gazele perfecte se dilata foarte mult comparativ cu solidele si lichidele, astfel acestea se folosesc ca agenti termodinamici. Variatia temperaturii Dt=t₂-t₁ poate provoca variatia volumului si a presiunii. In cazurile cand unul din parametri (p,V,T) se mentine constant, se definesc trei coeficienti de compresibilitate:

Coeficientul de compresibilitate izobara sau de dilatare izobara:

[grd^-1]

Coeficientul de compresibilitate izocora definit prin:

[grd^-1]

unde p₀ si V₀ sunt la temperatura de 0 ⁰C.

Coeficientul de compresibilitate izotermica definit pentru cazul cand temperatura ramane constanta:

[m²/N]

Semnul minus arata ca variatia volumului este de sens contrar variatiei presiunii.

Viscozitatea Este proprietatea fluidelor de a se opune la deformatii. Viscozitatea dinamica h se masoara in [N s/m²], iar cea cinematica n in m²/s], relatia dintre ele fiind:

[kg/m³] - densitatea fluidului.

Datorita viscozitatii au loc pierderi de energie in timpul curgerii fluidelor viscoase (reale). Fluidele ideale sau perfecte sunt fluide fictive, lipsite de coeziune si de aderenta; in consecinta viscozitatea lor este nula, iar viteza lor de curgere este constanta in orice punct al sectiunii de trecere. Acceptarea notiunii de fluid perfect permite simplificarea calculelor si stabilirea unor legi relativ simple.

Sisteme termodinamice. Clasificarea si functionarea ST

Sistemul termodinamic(ST) functioneaza ca un transformator al caldurii in energie mecanica sau invers. Deci un sistem termodinamic este in legatura cu doua corpuri situate in exteriorul sau: unul dintre corpuri constituie sursa donatoare de energie (caldura sau energie mecanica), iar celalalt corp este sursa receptoare de energie.Pentru a se putea realiza schimbul de caldura dintre corpuri este nenesar ca intre ele sa existe o diferenta de temperatura.Conditia fundamentala a corpurilor ca sa poata functiona ca sisteme termodinamice este ca acestea sa fie compresibile (dL=p dV, rezulta ca trebuie sa existe o variatie mare de volum pentru obtinerea lucrului mecanic).Aceasta proprietate este caracteristica numai gazelor si vaporilor. Pentru a vedea modul cum se efectueaza transformarea energiei se considera sistemul termodinamic si mediul exterior. Se numeste incinta (sau suprafata de contact) suprafata de separare intre sistemul termodinamic si exterior. Aceasta suprafata este reala sau imaginara si se stabileste in functie de sistemul considerat. Sursa donatoare si sursa receptoare se gasesc in exteriorul incintei, schimburile de energie dintre surse si sistem facandu-se prin incinta.

Clasificarea sistemelor termodinamice:

1. Dupa sensul de transformare a energiei:1.a. sistem direct (motor)

1.b. sistem invers

2. Dupa continuitatea incintei: 2.a. sistem inchis

2.b. sistem deschis: 2.b.1 periodic

2.b.2 in curgere -a. stabilizata

- b. nestabilizata

3. Dupa compozitia chimica:3.a . sistem unitar, 3.b. sistem neunitar.

4. Dupa omogenitate: 4.a. sistem omogen (monofazic).

4.b. sistem neomogen (bi- sau trifazic).

1.a Sistemul termodinamic direct (Fig.1.2) transforma caldura in energie mecanica. Sistemul termodinamic primeste caldura Q₁, cedeaza caldura Q₂ sursei reci si se obtine lucrul mecanic L. Caldura Q₂=Q₁-L ramane netransformabila. Dupa acest sistem functioneaza toate motoarele termice si instalatiile termice de forta.

1.b Sistemul termodinamic invers (Fig.1.3) primeste caldura Q₂ de la sursa rece (SR) si energie mecanica L de la    sursa de energie mecanica (SEM), acestea fiind transformate in caldura Q₁ cedata sursei calde (SC). Dupa acest sistem functioneaza instalatiile frigorifice si pompele de caldura.

2.a Sistemul termodinamic inchis (Fig.1.4) este izolat fata de exterior printr-o incinta etansa, iar prin aceasta sistemul termodinamic face schimb de energie cu mediul exterior. Incinta i este deformabila, deci volumul sistemului termodinamic este variabil.

2.b.1 Sistemul termodinamic deschis periodic (Fig.1.5). La acest sistem termodinamic incinta i este inchisa si deschisa periodic de catre organe de obturare (supape).

Functionare. Cand volumul incintei este minim, se deschide supapa de admisie (sa), fluidul compresibil m patrunde in incinta, apoi se inchide supapa de admisie. In acest moment incinta este etansa; se primeste caldura Q, sistemul termodinamic executa o serie de transformari, se obtine lucrul

mecanic L, iar o parte din caldura Q este cedata unei surse reci exterioare. Cand se termina transformarile (volumul este maxim), se deschide supapa de evacuare (se) si fluidul uzat este evacuat in exterior,apoi operatiile se repeta periodic. Pentru simplificare se considera ca fluidul nu executa nici o

transformare termodinamica pe durata umplerii sau golirii incintei, adica pe durata in care incinta este deschisa. De obicei, pistonul este legat la un arbore prin sistemul biela manivela care transforma miscarea de translatie in miscare de rotatie.

Dupa modelul acestui sistem termodinamic deschis periodic functioneaza toate motoarele termice cu piston si agregatele de lucru cu piston (ciocane pneumatice, prese pneumatice).

2.b.2.a. Sistem termodinamic in curgere stabilizata (Fig.1.6) este format dintr-un fluid compresibil care executa o serie de transformari energetice in timpul curgerii. Incinta este formata dintr-un canal profilat si organizat astfel incat, in timpul curgerii, fluidul sa efectueze transformarile necesare. Curgerea este stabilizata daca intr-un punct oarecare din interiorul incintei starea termica a fluidului si viteza de curgere raman neschimbate pe toata durata observatiei.

Se noteaza:

-debitul de agent

termodinamic (kg/s).

-intensitatea schimbului de caldura sau fluxul termic(W).

P -puterea mecanica (W).

Functionare. Prin sectiunea de admisie (sa) intra debitul de fluid compresibil care va executa o serie de transformari termodinamice pana la sectiunea de evacuare (se). In timpul curgerii se primeste fluxul termic si se cedeaza exteriorului puterea mecanica P. Aceasta putere se evidentiaza in doua moduri distincte:

P_a- putere mecanica la arbore schimbata prin intermediul unui rotor (R) in miscare de rotatie;

P_c - putere mecanica dinamica (cinetica) a debitului de fluid. Dupa acest sistem termodinamic functioneaza instalatiile de forta cu turbine cu gaze (sau vapori), instalatiile frigorifice si agregate de lucru: compresoare, turbine, etc.

2.b.2.b Sistemul termodinamic in curgere nestabilizata este asemanator cu cel de mai sus. Curgerea este nestabilizata atunci cand, intr-un punct oarecare din interiorul incintei, starea termica a sistemului termodinamic, cat si regimul de curgere, variaza in timp. Daca variatia acestor marimi este periodica, curgerea este pulsatorie. Aceste sisteme in regim pulsator se intalnesc mai rar; dupa acest sistem functioneaza turbinele cu impuls cu gaze de evacuare din motoarele termice cu piston si turbinele din unele instalatii termice de forta cu gaze.

3-a Sistemul termodinamic unitar este sistemul termodinamic alcatuit dintr-o substanta chimica unica (deci acelasi tip de molecula in toata incinta). De exemplu: sistemul termodinamic este format din azot (molecula simpla) sau numai din metan (molecula compusa).

3-b Sistemul termodinamic neunitar este format dintr-un amestec de substante compresibile cu naturi chimice diferite. De exemplu: aerul este format din azot si oxigen.

4-a Sistemul termodinamic omogen (monofazic) isi pastreza starea de agregare neschimbata pe intreaga durata a transformarilor termodinamice. Aceasta conditie trebuie indeplinita de toti componentii sistemului termodinamic. De exemplu: aerul care este comprimat de compresor sau vaporii care se destind intr-o turbina (fara atingerea starii de condensare).

4-b Sistemul termodinamic neomogen. La acest sistem apar schimbari ale starii de agregare pe parcursul transformarilor termodinamice. De exemplu: agentul de lucru dintr-o instalatie de forta cu abur sau dintr-o instalatie frigofifica.

Orice sistem termodinamic apartine de cate o categorie din toate cele patru criterii de clasificare.