Motorer och kylskåp
Repetition: De tre tillstånden
Gas
Solid
Vätska
Plasma – det fjärde tillståndet
Föreläsning 3/3, 2010
http://www.aircraftbanking.com/
http://sv.wikipedia.org
McMurry Chemistry, http://wps.prenhall.com
Fysiken bakom motorer och
kylskåp - Termodynamik
Värmeöverföring
Värme
VARMT
KALLT
• Värmeöverföring
• Fasövergångar
• Ledning
• Konvektion
• Strålning
Värmeöverföring genom ledning
VARMT
KALLT
Värmeöverföring genom ledning
Minskad rörelse
Ökad rörelse
1
Olika ledningsförmåga
Konvektion
http://www.firewalking.com.au
… pga varierande molekylstruktur:
material som leder el leder också värme
Exempel på konvektion
Ändringar i densitet orsakar strömning.
Konvektion i jordskorpan
www.dstu.univ-montp2.fr
Strålning
Värmestrålning
Typ av värmeöverföring som även kan ske i vakuum
2
Vilken färg har värmestrålning?
Absorption och reflektion av strålning
• Blir varm snabbare
• Blir varm långsammare
• Svalnar snabbare
• Svalnar långsammare
Wien’s strålningslag
UV
IR
Växthuseffekten
Fasövergångar
www.wilson.wnyric.org
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.
3
Avdunstning = kyleffekt
Svettning = avdunstning
Energi tas från ytan, dvs avkylning!
Kondensation = uppvärmning
Varför känns ångbastu varmare
än torrbastu?
Energi ges till ytan, dvs uppvärmning!
Fasdiagram för vatten
Kokning = förångning
Så länge vätska finns kvar så är
temperaturen konstant!
4
Vad händer sedan?
Smältning
Så länge isen smälter
tas värme från vätskan
och temperaturen hålls
vid 0°C
Ingen kylning pga avdunstning!
Kastrullen smälter!
Frysning
Temperaturen på vattnet i olika steg
Ån
ga
Temp
°C
100
Förångning/kondensation
Va
tte
n
När vatten fryser avges
värme till vätskan och
temperaturen hålls vid
0°C.
0
Is
Smältning/frysning
Vid fasövergångar är
temperaturen
konstant!
Tillförd värme
www.rodjenas.com
Regelation = Återfrysning
Den drickande fågeln
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.
Vattnets avdunstning
ger kyleffekt, minskat
tryck i huvudet.
Avdunstning av eter i
kroppen ökar trycket
Etern kan rinna
tillbaka till kroppen
och trycket
utjämnas.
Etern stiger i halsen
och ändrar
tyngdpunkten så att
fågeln doppar näbben
i glaset
Tillbaks i upprätt
tillstånd.
5
0:te huvudsatsen
Termodynamik
Om två system förs i kontakt med varandra
kommer de att utbyta energi eller materia
tills de är i jämviktsläge.
”Värmekraft”
VARMT
0:te huvudsatsen
KALLT
Inre energi
Om två system förs i kontakt med varandra
kommer de att utbyta energi eller materia
tills de är i jämviktsläge.
Tillfört
arbete
Tillförd
värme
Systemets
inre energi
Bortförd
värme
Utfört
arbete
Adiabatisk kompression
• Cykelpump
Adiabatisk expansion
• Cykelpumpen baklänges.
Tillfört
arbete
Systemets inre
energi ökar
Temperaturen ökar
Systemets inre
energi minskar
Temperaturen minskar
Utfört
arbete
6
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.
2:a huvudsatsen
Entropiprincipen: Värme flödar från varmt till
kallt.
KALLT
X
KALLT
VARMT
VARMT
värme = ändring i inre energi + uträttat arbete
Värmemotorer
Carnotcykeln 1 → 2
Carnotcykeln
VARMT
VARMT
VARMT
Förbränning
Arbete
KALLT
KALLT
Arbete
Avgaser
Q1
KALLT
Värme (Q1) tillförs för att hålla temperaturen konstant vid expansionen
Carnotcykeln 2 → 3
Carnotcykeln 3 → 4
VARMT
VARMT
KALLT
KALLT
Q2
Adiabatisk expansion, dvs ingen värme tillförs från omgivningen.
Temperaturen minskar
Värme (Q2) bortförs för att hålla temperaturen konstant vid
kompressionen
7
Uträttat arbete
Carnotcykeln 4 → 1
VARMT
VARMT
Förbränning
VARMT
Q1
KALLT
Arbete
Q2
KALLT
Arbete
Avgaser
KALLT
Adiabatisk kompression, dvs ingen värme avges från systemet.
Temperaturen ökar.
Stirlingmotorn
Arbete = tillförd värme (Q1) – bortförd värme (Q2)
Otto-motorn, förbränningsmotorer
Arbete ut!
Uppvärmning
Kylning
Kompression pga hjulets
vridmoment.
Men ett hur fungerar ett kylskåp?
KALLT
X
VARMT
Bör inte fungera enligt 2:a huvudsatsen?
Kör Stirlingcykeln baklänges …
Värme avges
vid hög
temperatur
Kompression, energi
tillförs
Expansion, arbete ut
Värme tillförs systemet
vid låg temperatur
Genom att tillföra mekanisk energi erhålls en kyleffeffekt!
8
Värmepump
Värmepump med kylmedium
Arbete
Pump, kompressor
ökar trycket
VARMT
Insida kylskåp
Kondensation
Baksida kylskåp
Arbete
Avdunstning
KALLT
Värme tas från
omgivningen:
Värme avges till
omgivningen:
-Avdunstning,
-lågt tryck
- Kondensation
- högt tryck
Expansionsventil
minskar trycket
Värmepumpar i vardagen
3:e huvudsatsen
Alla processer upphör vid absoluta nollpunkten.
Entropi
Nästa gång 10/3: Nord och syd
Ett mått på oordning!
9
