Termodynamikk : grunnlag for ingeniørfag

509 Pages·1995·208.595 MB·Norwegian

by  Gunnar Buset, Svein Erik Pedersen

Gunnar Buset
Svein Erik Pedersen
TERMODYNAMIKK
Grunnlag for ingeniørfag
Universitetsforlaget
© Universitetsforlaget AS 1995
ISBN 82-00-41369-1
Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med
åndsverkloven og fotografiloven eller i strid med
avtaler om kopiering inngått med Kopinor,
interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk.
Henvendelser om denne boka kan rettes til:
Universitetsforlaget AS
Postboks 2959 Tøyen
0608 OSLO
Illustrasjoner: Bjørn Norheim
Omslag: Clas Hansen
Trykk: HS-Trykk A/S, Oslo 1995
Forord
Arbeidet med denne boka starta ut fra ønsket om å gi ut ei norsk lærebok som dek­
ket grunnleggende kunnskaper i termodynamikk på en måte som kunne avlaste
læreren og gi støtte for studentenes eget arbeid utover det som presenteres på fore­
lesninger. Allerede i starten var det klart at det ikke var noe mål å gjøre boka kort­
fatta. Enkle, lettleste framstillinger av sentrale tema har vært et hovedmål, så får
leserne selv vurdere om en har lykkes. Det er ikke mulig å unngå bruk av matema­
tikk i dette faget. En har imidlertid unngått å bruke vanskelig matematikk som
ofte tar knekken både på initiativ og interesse.
Boka skal dekke pensum i faget Varme- og strømningslære ved de maritime
høgskolene, ingeniørhøgskolene og maskinlinja ved teknisk fagskole. Erfaring fra
undervisningen i dette faget tilsier at en presenterer stoffet på en ordentlig og sam­
menhengende måte, og lar studentenes arbeidsvilje avgjøre resten. Når studentene
får presentert en bunke med øvingsoppgaver, så er det uheldig dersom de støter på
problemer som fører til frustrasjoner og bortkasta tid. Oppgavene bør fungere som
trening i faget, jo mer trening, desto bedre. De som arbeider oppriktig med opp­
gaveløsningen, vil få en bedre forståelse for faget. Hvis oppgavene er lagt godt nok
til rette, vil alle studentene oppnå bedre forståelse. I boka har en prøvd å unngå
store og uoversiktlige oppgaver, og lagt vekt på en naturlig progresjon i oppgavene,
etter hvert som studentene fordyper seg i faget.
Det er en forutsetning at en har tilgang til fysiske tabeller med de nødvendige
oppslagsdataene. Oppslagsverk finner studentene på biblioteket. I en del uten­
landsk litteratur finner en til dels omfattende tabeller og diagrammer i bøkene,
men de samme dataene er også å finne i norske kilder.
Universitetsforlaget og forfatterne setter pris på tilbakemelding fra lærere, stu­
denter og andre brukere av boka.
Våren 1995
Gunnar Buset
Svein Erik Pedersen

5
Innhold
Symboloversikt 13
Enheter og likninger 17
Grunnenheter 17
Generelle likninger i fysikk 18
Analyser av diverse enheter 18
Historikk 19
Miljøtruslene 20
Energiforbruket i Norge 19
1 Elementære begreper 23
11- Energi. Hovedsetninger i termodynamikken 23
12- System 24
13- Arbeidssylinderen 25
14- Trykk 26
15- Kompressibilitet 30
16- Densitet 31
17- Ulike energiformer 31
18- Indre energi. En viss fysisk innsikt 34
Arbeidende medium 35
19- Tilstandsstørrelser 36
Tilstand 36
Intensive og ekstensive tilstandsstørrelser 37
110- Likevekt. Definisjon av varme 37
11-1 Temperaturskalaen. Målemetoder 40
Kelvinskalaen 42
112- Potensial. Ekvipotensialflater 44
1-13 Prosesser 47
Syklusen 49
1-14 Sammendrag 50
Oppgaver til kapittel 1 51
2 Egenskapene til rene stoffer 57
21- Rene stoffer 57
22- Faseovergang. Tørr, metta damp 58
23- Uavhengige egenskaper og tilstander i rene stoffer 59
24- Kokepunkt. Temperatur og trykk 60
25- TKdiagram for fuktig, metta og overheta damp 62
26- pV-diagram for rene stoffer, inkludert fast fase 64
Utvidelse av diagrammene for å ta med fast fase 65
27- ^diagrammet 67
28- pv^flate 67
6
29- Tabeller over tilstandsstørrelser. Entalpi 69
Entalpi, en kombinert størrelse 69
21-0 Beregninger i fuktig dampområde 70
211- Tilstandslikninga for ideelle gasser 74
Spesielle mengdemål for gasser. Normalkubikkmeter 76
Volumutvidelse 77
212- Korreksjon av tilstandslikninga 78
2-13 Sammendrag 82
Oppgaver til kapittel 2 83
3 Energiloven for et lukka system 88
31- Innledning 88
32- Varme 88
33- Arbeid 89
Elektrisk arbeid 90
Mekaniske former for arbeid 92
Volumendringsarbeid 92
Størrelser som varierer med prosesskurven 94
Tyngdekraftarbeid 96
Akselerasjonsarbeid 97
Akselarbeid 97
34- Varmetransport samtidig med volumforandring 98
35- Termodynamikkens første hovedsetning 99
Den første hovedsetningen for en meget liten tilstandsendring (en
infinitesmal prosess) 101
36- Termodynamiske prosesser 101
Adiabatisk prosess 102
Isobar prosess 102
Isokor prosess 102
Isoterm prosess 103
Indre energi 104
37- Termodynamikkens 1. hovedsetning for et system som gjennomløper
en syklus 106
Syklus i et arbeidende medium. Omdanning av varme til arbeid ved
kretsprosesser 108
38- Varmekapasitet 109
Spesifikke varmekapasiteter for kompressible medier 111
39- Indre energi, entalpi og spesifikk varmekapasitet for ideell gass 112
Molar varmekapasitet og gasskonstanten 114
Sammenhengen mellom cv, cp og R, den individuelle
gasskonstanten 114
310- Beregninger ved hjelp av spesifikke varmekapasiteter 115
311- Adiabatisk prosess for ideell gass 118
Polytropeksponenten n 119
31-2 Sammendrag 121
Oppgaver til kapittel 3 122
7
4 Energiloven for åpne system med stasjonær strømning 129
41- Generelt om strømning 129
Strømningsprosesser 129
Massekontinuitet 130
42- Beregning av massestrømmen m 131
43- Stasjonær strømning 133
44- Energiloven for kontrollvolum 134
45- Fortrengningsarbeid 135
46- Energi i fluidstrømning 136
47- Stasjonære strømningsprosesser 137
48- Energibalanse for en stasjonær strømning 139
49- Maskininnretninger som er basert på stasjonær strømning 142
Diffusor 142
Dyse 143
Kompressor 144
Dampturbin 145
Trykkreduksjonsorganer 147
Varmevekslere 149
Strømning i rør og kanaler 151
Vannoppvarming og dampkjeler 153
Energilikninga for stasjonær drift av en dampkjel 155
410- Strømning av ideell væske i rør. Bernoullis likning 156
411- Sammendrag 159
Oppgaver til kapittel 4 160
5 Kretsprosesser 169
51- Termodynamikkens andre hovedsetning 169
52- Energireservoar 170
53- Varmeenergimaskiner 172
Termisk virkningsgrad 176
Kan vi spare QL? 177
Den andre hovedsetningen i termodynamikk: Kelvin-Plancks utsagn.
Eksergi og anergi 179
54- Kjølemaskiner og varmepumper 181
Kjølemaskiner 181
Ytelsessiffer (= kuldefaktor) 182
Varmepumper 184
Varmefaktor ev 185
Den andre hovedsetningen. Utsagnet til Clausius 187
55- Perpetuum mobile 187
56- Reversible og irreversible prosesser 188
Carnots to prinsipper 190
Irreversibiliteter 191
Isoterm, reversibel tilstandsforandring 193
Internt og eksternt reversible prosesser 193
57- Carnots kretsprosess 194
Reversible kretsprosesser 195
8
58- Den omvendte carnotprosessen 196
59- Kelvin-skalaen. Absolutt temperatur 196
51-0 Virkningsgraden til en varmeenergimaskin som arbeider etter Carnots
kretsprosess 198
511- Energikvalitet 200
5-12 Den omvendte carnotprosessens ytelsessiffer og varmefaktor 202
5-13 Maskiner med indre forbrenning 203
Ottoprosessen (forgassermotoren) 204
Dieselprosessen 206
Jouleprosessen (åpen gassturbin) 208
Energibalanse (åpen gassturbin) 210
5-14 Sammendrag 211
Oppgaver til kapittel 5 213
6 Entropi. Tilstandsforandringer 221
61- Innledning 221
62- Clausius’ ulikhet for reversible og irreversible sykluser 221
63- Entropi 226
To spesielle tilfeller 229
64- Entropiendringer 231
Isolert system 233
65- Tilstandsdiagrammer 234
TS-diagrammet 234
Carnotsyklusen i TS-diagram 237
T/S-diagrammet 238
66- To viktige uttrykk i termodynamikken 240
Fullstendig differensial 240
67- Arbeidstap, 241
68- Entropiendringer i faste stoffer og væsker 243
69- Entropiendringa i en ideell gass 244
61-0 Eksakt beregning av isentropiske prosesser 247
61-1 Reversibel stasjonær strømning 250
6-12 Kompressorarbeid. Kjøling av kompressorer 255
Utveksling av varme ved en polytropisk kompresjon 256
Entropiendring, polytropisk prosess 257
6-13 Kompresjon i flere trinn med mellomkjøling 257
6-14 Isentropisk virkningsgrad 261
Isentropisk virkningsgrad, ideell gass 263
Arbeidstapet W{ 263
Kompressorer 263
6-15 Sammendrag med kommentar til kapitlet 266
Oppgaver til kapittel 6 269
9
7 Hydromekanikk 275
71- Væskekraft mot ei plan flate 275
Trykksentrum 278
72- Væskekraft mot ei krum flate 282
73- Oppdrift og stabilitet 284
Oppdrift 284
Stabilitet 286
74- Væske i rotasjon 290
Sentrifuge 292
75- Viskositet 293
76- Strømningsformer 296
77- Strømning med tap 298
Bernoullis likning med tap 299
Trykktap 299
Strømningstap ved laminær strømning i rør 300
Strømningstap ved turbulent strømning i rør 303
Strømningstap i rørelementer 306
Forskjellige innløps- og utløpstap 307
Ventiler 309
Ekvivalent ledningslengde 310
78- Strømningstap ved fritt utløp 311
79- Måling av trykk og hastighet 313
Statisk og dynamisk trykk 315
Oppgaver til kapittel 7 317
8 Gassblanding. Fuktig luft 329
81- Innledning 329
82- Masse- og molsammensetning 329
83- Blanding av ideelle gasser 332
Sammenhengen mellom masse- og molandeler 334
84- Blanding av reelle gasser 335
85- Tilstandsstørrelsene i en gassblanding 336
86- Fuktig luft. Grunnlag. Mollierdiagram 339
7"S-diagram for vanndamp. Fuktighet 341
Mollierdiagram for fuktig luft 343
Bygningskonstruksjoner 345
87- Bruk av Ax-diagrammet for fuktig luft 346
Konstant x 346
Opptak av vann (befuktning). Våtkuletemperatur 348
Psykrometeret 349
Blanding av luftmengder 350
Kondensering eller utfelling 352
Kuldeytelse 354
Vann- eller dampinnsprøyting i luft 356
88- Sammendrag 358
Oppgaver til kapittel 8 359
10
9 Grunnbegreper i varmeoverføring 363
91- Innledning 363
92- Varmeledning 364
Varmeledning gjennom plan vegg 364
Varmeledning gjennom en sylindrisk vegg 366
93- Konveksjon 367
Varmeovergangskoeffisient 369
Turbulent strømning i rør 370
Laminær strømning i rør 372
Tvungen konveksjon, grensesjiktsstrømning på plan plate 372
Tvungen konveksjon vinkelrett mot sylinder 374
Naturlig konveksjon på vertikal flate 375
Naturlig konveksjon omkring horisontal sylinder 376
Varmeovergang ved kondensasjon 378
Kondensasjon på horisontale rør 380
Varmeovergang ved koking 381
Varmegjennomgang ved samtidig ledning og konveksjon 384
94- Termisk stråling 388
Absorpsjon, transmisjon og refleksjon 388
Svart legeme 389
Plancks strålingslov 390
Punktformig stråling 391
Stråling fra «ikke-svarte legemer» 391
Strålingseffekt mellom to legemer 392
Avskjerming av varmestråling 400
Varmeovergangstall for stråling 401
Gasstråling 402
95- Varmevekslere 403
Middeltemperaturdifferanse 405
Korreksjon av LMTD 408
Oppgaver til kapittel 9 411
10 Forbrenning 416
110- Innledning 416
120- Kjemilikninger, luft og avgass 417
Massebalanse 417
Luft 418
CO2-innhold og røykgassproblemer 423
130- Luftbehov 425
Luftbehovet /Ot 425
Luftoverskudd 426
140- Brenselets brennverdi 426
Brennverdi 430
150- CO-dannelse. Dissosiasjon 432
CO-dannelse 432
Dissosiasjon 433