Logo

Mašinstvo i
Informacione
Tehnologije

4. PRVI PRINCIP TERMODINAMIKE


Prvi princip termodinamike je apsolutni prirodni zakon koji važi za sve pojave koje se odigravaju na svim prostornim nivoima (mikro, makro i mega svetu). Zasovan je na brojnim analizama posrednim i neposrednim dokazima, eksperimentima o odnosima različitih vrsta energija.

Neke od formulacija:

Energiju nije moguce stvoriti niti uništiti. Ona samo menja svoje pojavne oblike.

Ukupna energija svemira je nepromenljiva.

Ukupna energija izolovanog termomehaničkog sistema je nepromenljiva.


Slika 4.1 Izolovan termo-mehanički sistem

Nacini razmene energije zatvorenog termomehanickog sistema sa njegovom okolinom

  1. Toplotom
  2. Radom
    • Mehanickim
      - rad vratila
      - rad promene zapremine
      - rad opruge
      - rad elasticnih deformacija

    • Nemehanickim
      - elektricnim energetskim dejstvima
      - magnetnim energetskim dejstvom

4. 1 Toplota

  • Energetsko dejstvo sistema i njegove okoline-velicina procesa

  • Proces prenosenja energije kroz granice termodinamickog sistema izazvan iskljucivo razlikom temperatura termomehanickog sistema i njegove okoline.


Slika 4.1.1 mimetex: Q [J] -kolicina toplote koju usled razlike medjusobnih temperatura,
izvor preda termodinamickom sistemu




Slika 4.1.2 mimetex: Q [J] -kolicina toplote koju usled razlike medjusobnih temperatura,
termodinamicki sistem preda toplotnom ponoru.


Toplota kao proces prenošenja energije, izazvan razlikom temperatura, može odvijatii i između radnih supstancija unutar jednog termodinamičkog sistema, kao i unutar same radne supstancije, ukoliko ona nije u temperaturskoj ravnoteži.

Toplota kao proces prenosenja (unutrasnje) energije, uzrokovana razlikom temperatura, neposredno je povezana sa intezitetom kretanja, aktivnoscu molekula, atoma i drugih mikro cestica koje sacinjavaju supstancu to jest ona predstavlja direktnu posledicu ovih kretanja.

Osnovni termini:
Količina toplote mimetex: Q [J]

Toplota – „veličina procesa“-ne poseduje osobinu totalnog diferencijala

mimetex:\delta Q a ne mimetex:dQ

mimetex:\int^{2} _{1} \delta Q = Q_{1-2}

Toplotni protok (fluks)


mimetex:\phi=\frac{\delta Q}{dt} [W]

mimetex:\phi=\frac{Q_{1-2}}{t_{2} -t_{1}} 
=\frac{Q_{1-2}}{\Delta t} [W]




Specifični količina toplote

mimetex: q=\frac{Q}{m} \left[\frac{J}{kg}\right]



Površinski toplotni protok (toplotni protok sveden na jedinicu površine)

mimetex:\varphi = \frac{\phi}{A} \left[\frac{W}{m^{2}}\right]


Podužni (linijski) toplotni protok (toplotni protok sveden na jedinicu dužine) – (cevi, kanali, žice,i drugi linijski objekti)

mimetex: \varphi_{l} =\frac{\phi}{l} \left[\frac{W}{m}\right]

Razlikujemo tri mehanizma prenosenja toplote:

  • kondukcija-provodjenje toplote


    Slika 4.1.3 Molekuli sa vecim intezitetom kretanja sudaraju se sa onim sa manjom aktivnošću, prenoseći im tako i povećavajući unutrašnju energiju


  • konvekcija-prelazenje toplote


    Slika 4.1.4 Prirodna konvekcija – prirodno prelaženje toplote




    Slika 4.1.5 prinudna konvekcija – prinudno prelaženje toplote




  • radijacija-zracenje




    Slika 4.1.6 Sve supstance, ukoliko se nalaze na temperaturi višoj od mimetex: 0^o K emituju u svoju okolinu elektromagnetne talase.


4.2 Radovi

  • Mehanička energetska dejstva

    Uređenim kretanjem neke pokretne čvrste površi, strukturne čestice bivaju pomerane (na „uređen“ način), te im se tako povećava intezitet kretanja, odnosno prenosi energija. (Toplota – na „haotičan“ i „neuređen“ način utiče na povećanje inteziteta kretanja molekula, atoma i dr. mikro čestica).

    Mehanički rad

    mimetex: W={\int_1^2}\delta W={\int_1^2}{\vec F} d {\vec s}

    Zapreminski rad




    Slika 4.2.1 Rad usled promene zapremine, apsolutni rad, rad pokretne granice sistema


    Izvršeni zapreminski rad

    (elementaran zapreminski rad pri ravnotežnoj promeni stanja mimetex: \delta w__v = pdV )

    mimetex: W__{V,1-2}={\int_1^2}\delta W=-{\int\limits_1^2}pdV

    Snaga

    mimetex: P__V = \frac{\delta W__V} {dt} [W]


    Rad vratila



    Slika 4.2.2 Rad vratila




    Slika 4.2.3 elementaran rad vratila δWsh = M dα , moment M = F r


    mimetex: W__{sh,1-2}={\int_1^2}\delta W__{sh}={\int\limits_1^2}Md\alpha

  • Nemehanička energetska dejstva

    Električno energetsko dejstvo

    mimetex: \delta W__{el}=I\cdot U \cdot dt - za jednosmernu struju

    mimetex: \delta W__{el}=I\cdot U \cdot \cos \varphi \cdot dt- za naizmeničnu struju ( cosϕ - tzv. faktor snage)





    Slika 4.2.4 elementaran rad vratila δWsh = M dα , moment M = F r




4.3 Prvi princip termodinamike za zatvoreni termo-mehanički sistem




Slika 4.3.1 Zatvoren termomehanicki sistem



mimetex: Ep -sistem u polju fizičke sile (gravitaciona sila)

mimetex: Ek -kretanje (translacija, rotacija)

I princip TD za zatvoreni termo-mehanički sistem u diferencijalnom obliku


mimetex: \delta Q + \Sigma \delta W__i = dU + dE__k + dE__p + .... + {\not{\Sigma d E__i}}

Ukoliko je termodinamičkog sistema nepokretan



Slika 4.3.2 elementaran rad vratila δWsh = M dα , moment M = F r


„Prost“ zatvoren trermodinamički sistem – poseban slučaj zatvorenog i nepokretnog termodinamičkog sistema, kada od svih radova postoji samo (mimetex:\delta Wv=0 , mimetex:\delta Wel=0 )


mimetex: \delta Q + \delta W__V = dU


integracijom
mimetex: Q__{1-2} + W__{V,1-2} = U__2  - U__1

Povratak na početak