Selle valemi põhjal on kerge näha: kui süsteem väljaspoolt energiat ei saa, siis võib ta tööd teha ainult siseenergia arvel. Kui siseenergia ammendub, siis edasi tööd teha pole võimalik. 3. Töö termodünaamikas Kõige lihtsam termodünaamiline süsteem on mingis kinnises anumas olev gaas. Lihtsuse mõttes oletame, et selliseks anumaks on silinder, mille üheks põhjaks on liikuv kolb. Kui silindris olevat gaasi kuumutada isobaariliselt (rõhk ei muutu), siis gaas surub kolbi paremale, nii et gaasi ruumala suureneb. Saab näidata, et jääval rõhul on gaasi paisumistöö järgmine A=pV A-gaasi paisumistöö (J) p-gaasi rõhk (p=const)(Pa) V-gaasi ruumala muut (m3) 4. Soojusmasin Soojusmasinaks nimetatakse masinat, milles toimub kütuse siseenergia muundamine mehaaniliseks tööks. Soojusmasinad on näiteks sisepõlemismootorid, reaktiivmootorid, auru- ja gaasiturbiinid jne.
Diferentsiaalkujul saab esimest seadust esitada järgnevalt: Kui teha lihtsustus ning vaadelda sama protsessi ühe mooli ühe kraadilise muutuse jaoks, siis saab termodünaamika I seaduse esitada kujul: 4 (Cp - moolsoojus isobaarilises protsessis, CV - moolsoojus isohoorilises protsessis, R - Universaalne gaasikonstant) Universaalne gaasikonstant näitab tööd, mida teeb üks mool ideaalgaasi, paisudes isobaariliselt nii palju, et tema temperatuur tõuseb ühe kraadi võrra. Termodünaamika esimene seadus väidab, et energia ei saa tekkida ega hävida. Üks järeldus sellest seadusest on, et energiahulk, mis voolab mingisse seadmesse, võrdub energiahulgaga, mis seadmest välja voolab. Võtame näiteks elektrilambi. Energia voolab elektrilampi elektri kujul. Kui elektrivool läheb läbi lambi, annab lamp soojust ja valgust, ning koguenergia,
korda suureneb gaasi rõhk samuti kaks korda. NB! Siin ülesandes jätsime ruumala ühikud (liitrid) algandmetes kuupmeetriteks teisendamata, sest lõpptulemuse arvutamisel on vaja teada ruumalade suhet. Kahe füüsikalise suuruse suhe ühikute valikust ei sõltu, oluline on ainult see, et nad oleks samades ühikutes. Näidisülesanne 7. Gaasi temperatuur kolvis on 30 0 C. Millise temperatuurini tuleb gaasi isobaariliselt jahutada, et tema ruumala oleks 90% esialgsest? 8 Lahendus. Antud: T1 = 302 K Teeme algandmeid kajastava joonise. Ülesande tekstis oli gaasi temperatuur antud Celsiuse kraadides, mille teisendasime absoluutseks V2 = 0,9 V1 temperatuuriks (30 0 C = 302 K ), sest ideaalse gaasi olekuvõrrandis ja T2 = ? seega ka arvutustes tuleb kasutada absoluutset temperatuuri.
Trinkler-Sabathe ringprotsess ehk segaringprotsess on Otto ja Dieseli ringprotsessi kombinatsioon. Selle järgi töötavad kiirekäigulised mootorid, mida nimetatakse samuti diiselmootoriteks ja mis on viimaste hulgas levinumad. Trinkler-Sabathe ringprotsessis, nagu Dieseli ringprotsessiski, toimub kütuse süttimine isesüttimise teel. Kütus pritsitakse kõrgrõhu pumpadega eelpõlemiskambrisse. Tänu sellele põleb kütus esialgu isohooriliselt ning sellele järgnevalt isobaariliselt (põlemine kandub eelpõlemiskambrist mootori silindrisse). Trinkler- 15 Sabathe ringprotsessil töötavates mootorites kasutatakse samu kütuseid, mis kompressor- diiselmootoriteski. [3] Trinkler-Sabathe ringprotsessi termiline kasutegur sõltub mootori surveastmest, isohoorilisest rõhutõusuastmest, isobaarsest paisumisastmest ning adiabaadi astendajast, kasvades mootori
Dieseli ringprotsessiks 80. Mida tuntakse Sabath Trinkleri ringprotsessi all. Sabathe'i-TrinkIeri ringprotsessi nimetatakse ka segaringprotsessiks. Sellel ringprotsessil töötavad kiirekäigulised diiselmootorid. Sabathe'i-Trinkleri ringprotsessis, nagu Dieseli ringprotsessiski, toimub kütuse süttimine isesüttimise teel. Kütus pritsitakse kõrgrõhu pumpadega eelpõlemiskambrisse. Tänu sellele põleb kütus esialgu isohooriliselt ning sellele järgnevalt isobaariliselt (põlemine kandub eelpõlemiskambrist mootori silindrisse). 81. Rankinei ringprotsessi kujutamine T-s diagrammil nii küllastunud kui ka ülekuumendatud auruga. 82. Braytoni ringprotsess kujutamine p-v ja T-s diagrammil 83. Auru ja gaasturbiinlahenduse kombineeritud tsüklitega ringprotsessi ja selle kujutamine T-s diagrammil
Dieseli ringprotsessiks 81. Mida tuntakse Sabath Trinkleri ringprotsessi all. Sabathe'i-TrinkIeri ringprotsessi nimetatakse ka segaringprotsessiks. Sellel ringprotsessil töötavad kiirekäigulised diiselmootorid. Sabathe'i-Trinkleri ringprotsessis, nagu Dieseli ringprotsessiski, toimub kütuse süttimine isesüttimise teel. Kütus pritsitakse kõrgrõhu pumpadega eelpõlemiskambrisse. Tänu sellele põleb kütus esialgu isohooriliselt ning sellele järgnevalt isobaariliselt (põlemine kandub eelpõlemiskambrist mootori silindrisse). 82. Rankinei ringprotsessi kujutamine T-s diagrammil nii küllastunud kui ka ülekuumendatud auruga. küllastunud ülekuumendatud 83. Braytoni ringprotsess kujutamine p-v ja T-s diagrammil
cV = . µ Antud ülesandes on seega vaja teada hapniku ( O2 ) molaarmassi, mille me juba lisasime algandmetesse. Arvutamine annab 20,1 cV = ( ) J/kg·K = 650 J/kg·K. 0,032 Vastus: hapniku erisoojus jääval ruumalal on 650 J / kg K . NB! Aine moolsoojust kasutatakse üsna palju, seetõttu on seose teadmine erisoojuse ja moolsoojuse vahel vajalik. 5 Näidisülesanne 7. Ideaalne gaas paisub isobaariliselt rõhul 500 kPa ruumalalt 1 L kuni ruumalani 6 L. Arvutada gaasi paisumise töö. Hinnata, kuidas muutus seejuures gaasi siseenergia? Lahendus. Antud: p = 500 kPa = 5·105 Pa Kujutame gaasi isobaarilist paisumist graafiliselt järgmisel V1 = 1 L = 10-3 m3 joonisel. V2 = 6 L = 6·10-3 m3 A=? Graafiliselt on töö võrdne p-V teljestikus protsessi kujutava graafiku aluse pindalaga. Antud juhul on vaja leida graafiku alla jääva ristküliku pindala
7 (Cp - moolsoojus isobaarilises protsessis, CV - moolsoojus isohoorilises protsessis, R - Universaalne gaasikonstant) Universaalne gaasikonstant näitab tööd, mida teeb üks mool ideaalgaasi, paisudes isobaariliselt nii palju, et tema temperatuur tõuseb ühe kraadi võrra. Termodünaamika teine seadus käsitleb looduslike protsesside mittepööratavust. Tal on hulk omavahel ekvivalentseid sõnastusi. Clausiuse sõnastus: Isoleeritud süsteemis kulgevad kõik protsessid entroopia kasvu suunas. Clausiuse sõnastus (teine variant): Soojus ei saa iseenesest üle minna külmalt kehalt kuumemale, st ei ole võimalik niisugune protsess, mille ainsaks tulemuseks on soojuse
Tasakaal siin tähendab dünaamilist tasakaalu: faasid vahetavad pidevalt molekule, kuid küllalt pika aja jooksul on mõlemas suunas üleminevate molekulide arv võrdne. Aurustumiskõvera punktidele vastavat auru nimetatakse küllastavaks. Sulamisel ja aurustumisel massiühiku kohta neelduvat soojushulka nimetatakse vastavalt sulamissoojuseks ja aurustumissoojuseks q, mõlemad sõltuvad rõhust. Kui me hakkame isobaariliselt soojendama tahket ainet olekust A (joon.5.12), siis läheb see punktis A1 otse üle gaasifaasi, sellist protsessi nimetatakse sublimatsiooniks, sellega kaasneb sublimatsioonisoojuse neeldumine. Aurustumiskõver lõpeb kriitilises punktis Kr. Nii on võimalik aine viia vedelast olekust (punkt D1) gaasilisse (punkt D2) aurustumissoojust kulutamata (punktiirjoon D1-D2). Joonisel 5.12 kujutatud sulamiskõver on vertikaalist vasakule kaldu. See vastab ainetele,
arvelt (dU < 0). Moolsoojuste suhe = Cp / CV on määratud gaasi molekuli vabadusastmete arvuga i kujul : = (i+2) / i . Gaasi moolsoojus isobaarilisel protsessil Cp on suurem moolsoojusest isokoorilisel protsessil CV , sest isobaarilise protsessi käigus tuleb gaasi paisumisel teha tööd. Lühidalt: Cp = CV + R. Universaalne gaasikonstant R = 8,31 J / (K mol) näitab tööd, mida teeb üks mool ideaalgaasi, paisudes isobaariliselt nii palju, et tema temperatuur tõuseb ühe kraadi (1 K) võrra. Mehaanilise süsteemi vabadusastmete arvuks i nimetatakse süsteemi liikumist kirjeldavate sõltumatute koordinaatide arvu. Sõltumatu on selline koordinaat, mida ei saa esitada teiste koordinaatide kaudu. Üheaatomilisel molekulil on vaid 3 kulgliikumise vabadusastet. Kaheaatomilisel molekulil on 3 kulg- ja 2 pöördliikumise vabadusastet (kokku 5). Kolme- (ja rohkem) -aatomilisel molekulil on 3 kulg- ja 3
Keha või ainekoguse (TD süsteemi) siseenergia U on tema osakeste summaarne energia nende vastastiku- sel liikumisel ja mõjustusel. Ideaalgaasi siseenergia on võrdeline tema temperatuuriga: U = const . T, Näiteks ühe mooli ideaalgaasi siseenergia U = NA Ek = NA (i/2) k T = (i/2) R T, kus i on gaasimole- kuli vabadusastmete arv. Universaalne gaasikonstant R = 8,31 J / (K mol) näitab tööd, mida teeb üks mool ideaalgaasi, paisudes isobaariliselt nii palju, et tema temperatuur tõuseb ühe kraadi (1 K) võrra. Termodünaamika I printsiip : kehal või ainekogusel olemasoleva soojushulga Q kasv Q (juurde antud soojushulk) põhjustab siseenergia kasvu U ja võimaldab paisumisel teha tööd A = p V. Seega Q = U + p V, diferentsiaalkujul dQ = dU + p dV. TD I printsiip on oma olemuselt energia jäävuse seadus. Töö tegemiseks peab kulutama energiat (kas soojust või siseenergiat).
Keha või ainekoguse (TD süsteemi) siseenergia U on tema osakeste summaarne energia nende vastastiku- sel liikumisel ja mõjustusel. Ideaalgaasi siseenergia on võrdeline tema temperatuuriga: U = const . T, Näiteks ühe mooli ideaalgaasi siseenergia U = NA Ek = NA (i/2) k T = (i/2) R T, kus i on gaasimole- kuli vabadusastmete arv. Universaalne gaasikonstant R = 8,31 J / (K mol) näitab tööd, mida teeb üks mool ideaalgaasi, paisudes isobaariliselt nii palju, et tema temperatuur tõuseb ühe kraadi (1 K) võrra. Termodünaamika I printsiip : kehal või ainekogusel olemasoleva soojushulga Q kasv Q (juurde antud soojushulk) põhjustab siseenergia kasvu U ja võimaldab paisumisel teha tööd A = p V. Seega Q = U + p V, diferentsiaalkujul dQ = dU + p dV. TD I printsiip on oma olemuselt energia jäävuse seadus. Töö tegemiseks peab kulutama energiat (kas soojust või siseenergiat).
annaabi.ee 
