1

Motorer och kylskåp

Föreläsning 3/3, 2010http://www.aircraftbanking.com/http://sv.wikipedia.org

Repetition: De tre tillstånden

McMurry Chemistry, http://wps.prenhall.com

Gas Vätska Solid

Plasma – det fjärde tillståndet

Fysiken bakom motorer och kylskåp - Termodynamik

• Värmeöverföring

• Fasövergångar

Värmeöverföring

• Ledning

• Konvektion

• Strålning

VARMT KALLT

Värme

Värmeöverföring genom ledning

VARMT KALLT

Värmeöverföring genom ledning

Minskad rörelse Ökad rörelse

2

Olika ledningsförmåga

… pga varierande molekylstruktur:material som leder el leder också värme

http://www.firewalking.com.au

Konvektion

Ändringar i densitet orsakar strömning.

Exempel på konvektion Konvektion i jordskorpan

www.dstu.univ-montp2.fr

Strålning

Typ av värmeöverföring som även kan ske i vakuum

Värmestrålning

3

Vilken färg har värmestrålning?

UV IR

Wien’s strålningslag

Absorption och reflektion av strålning

• Blir varm snabbare

• Svalnar snabbare

• Blir varm långsammare

• Svalnar långsammare

Växthuseffekten

www.wilson.wnyric.org

Fasövergångar

Övergångar från olika tillstånd Avdunstning och kondensation i jämvikt

Vätskan står i jämvikt med molekylerna i gasfas. Fördelningen mellan vätska och gas beror på temperaturen och tryck.

4

Avdunstning = kyleffekt

Energi tas från ytan, dvs avkylning!

Svettning = avdunstning

Kondensation = uppvärmning

Energi ges till ytan, dvs uppvärmning!

Varför känns ångbastu varmare än torrbastu?

Fasdiagram för vatten Kokning = förångning

Så länge vätska finns kvar så är temperaturen konstant!

5

Vad händer sedan?

Ingen kylning pga avdunstning! Kastrullen smälter!

Smältning

Så länge isen smälter tas värme från vätskan och temperaturen hålls vid 0°C

Frysning

www.rodjenas.com

När vatten fryser avges värme till vätskan och temperaturen hålls vid 0°C.

Temperaturen på vattnet i olika steg

Tillförd värme

Temp°C

0

100

Smältning/frysning

Förångning/kondensation

Is

Vatten

Ånga

Vid fasövergångar är

temperaturen

konstant!

Regelation = Återfrysning

Isen smälter p g a trycket.

Vattnet på ovansidan fryser när trycket minskar och värme avges.

Värmen är tillräcklig att fortsätta smälta isen under tråden.

Den drickande fågeln

Vattnets avdunstning ger kyleffekt, minskat tryck i huvudet.Avdunstning av eter i kroppen ökar trycket Etern stiger i halsen

och ändrar tyngdpunkten så att fågeln doppar näbben i glaset

Etern kan rinna tillbaka till kroppen och trycket utjämnas.

Tillbaks i upprätt tillstånd.

6

Termodynamik

”Värmekraft”

0:te huvudsatsenOm två system förs i kontakt med varandra kommer de att utbyta energi eller materia tills de är i jämviktsläge.

VARMT KALLT

0:te huvudsatsenOm två system förs i kontakt med varandra kommer de att utbyta energi eller materia tills de är i jämviktsläge.

Inre energi

Tillförd värme

Bortförd värme

Tillfört arbete

Utfört arbete

Systemets

inre energi

Adiabatisk kompression

• Cykelpump

Systemets inre

energi ökar

Tillfört arbete

Temperaturen ökar

Adiabatisk expansion

• Cykelpumpen baklänges.

Systemets inre

energi minskar

Temperaturen minskar

Utfört arbete

7

1:a huvudsatsen

Energiprincipen: Värme som flödar in till ett system är lika med summan av ändringen i inre energi plus arbete som uträttas av systemet.

värme = ändring i inre energi + uträttat arbete

2:a huvudsatsen

Entropiprincipen: Värme flödar från varmt till kallt.

X VARMTKALLT

VARMTKALLT

Värmemotorer

VARMT

KALLT

Förbränning

Avgaser

Arbete

Carnotcykeln

Arbete

VARMT

KALLT

Carnotcykeln 1 →→→→ 2

VARMT

KALLT

Q1

Värme (Q1) tillförs för att hålla temperaturen konstant vid expansionen

Carnotcykeln 2 →→→→ 3

VARMT

KALLT

Adiabatisk expansion, dvs ingen värme tillförs från omgivningen. Temperaturen minskar

Carnotcykeln 3 →→→→ 4

VARMT

KALLT

Q2

Värme (Q2) bortförs för att hålla temperaturen konstant vid kompressionen

8

Carnotcykeln 4 →→→→ 1

VARMT

KALLT

Adiabatisk kompression, dvs ingen värme avges från systemet. Temperaturen ökar.

Uträttat arbete

VARMT

KALLT

Förbränning

Avgaser

Arbete Arbete

VARMT

KALLT

Q1

Q2

Arbete = tillförd värme (Q1) – bortförd värme (Q2)

Stirlingmotorn

Arbete ut!

Kompression pga hjulets vridmoment.

Uppvärmning

Kylning

Otto-motorn, förbränningsmotorer

Men ett hur fungerar ett kylskåp?

VARMTKALLT XBör inte fungera enligt 2:a huvudsatsen?

Kör Stirlingcykeln baklänges …

Värme tillförs systemet vid låg temperatur

Kompression, energi tillförs

Värme avges vid hög

temperatur

Expansion, arbete ut

Genom att tillföra mekanisk energi erhålls en kyleffeffekt!

9

Värmepump

VARMT

KALLT

Kondensation

Avdunstning

Arbete

Värmepump med kylmedium

Värme tas från omgivningen:

-Avdunstning,-lågt tryck

Värme avges till omgivningen:

- Kondensation- högt tryck

Pump, kompressor ökar trycket

Expansionsventil minskar trycket

Arbete

Insida kylskåpBaksida kylskåp

Värmepumpar i vardagen 3:e huvudsatsen

Alla processer upphör vid absoluta nollpunkten.

EntropiEtt mått på oordning!

Nästa gång 10/3: Nord och syd