Proces przepływu

Podczas stabilnej, ciągłej pracy bilans energetyczny zastosowany w systemie otwartym przyrównuje pracę wału wykonaną przez system do dodanego ciepła plus dodanej entalpii netto .

Obszar przestrzeni zamknięty przez otwarte granice systemu jest zwykle nazywany objętością kontrolną . Może, ale nie musi, odpowiadać fizycznym ścianom. Wygodnie jest zdefiniować kształt objętości kontrolnej tak, aby cały przepływ materii, wchodzący lub wychodzący, odbywał się prostopadle do jego powierzchni. Można rozważyć proces, w którym materia wpływająca i wypływająca z układu jest chemicznie jednorodna. Wtedy napływająca materia wykonuje pracę, jakby wbijała do układu tłok płynu. Ponadto system wykonuje pracę tak, jakby wypychał tłok z płynem. Przez ściany układu, które nie przepuszczają materii, można zdefiniować transfery ciepła ( δ Q ) i pracy ( δ W ), w tym pracę wału.

Klasyczna termodynamika rozważa procesy dla układu, który początkowo i ostatecznie znajduje się we własnym wewnętrznym stanie równowagi termodynamicznej, bez przepływu. Jest to wykonalne również z pewnymi ograniczeniami, jeśli układ jest masą płynu przepływającego z jednostajną szybkością. Wtedy z wielu powodów proces, zwany procesem przepływowym, można rozpatrywać zgodnie z klasyczną termodynamiką, tak jakby obowiązywała klasyczna zasada braku przepływu. Na potrzeby niniejszego wstępnego wyjaśnienia zakłada się, że energia kinetyczna przepływu i energia potencjalna wzniesienia w polu grawitacyjnym nie zmieniają się, a ściany, inne niż wlot i wylot materii, są sztywne i nieruchome.

W tych warunkach pierwsza zasada termodynamiki dla procesu przepływowego brzmi: przyrost energii wewnętrznej układu jest równy ilości energii dodanej do układu przez napływającą materię i przez ogrzewanie pomniejszoną o ilość energii utraconej przez płynącą materię na zewnątrz i w postaci pracy wykonanej przez system. W tych warunkach pierwsze prawo procesu przepływu jest zapisane:

$\ Displaystyle \ operatorname {d} U = \ operatorname {d} U _ {\ tekst {w}} + \ delta Q- \ operatorname {d} U_ {\text{out}}-\delta W}$

gdzie U _in i U _out odpowiednio oznaczają średnią energię wewnętrzną wchodzącą i wychodzącą z układu wraz z przepływającą materią.

Wykonywane są wówczas dwa rodzaje pracy: opisana powyżej „praca przepływu”, która jest wykonywana na płynie w objętości kontrolnej (jest to często nazywane „pracą PV”) oraz „praca na wale”, którą może wykonywać płyn w objętości kontrolnej na jakimś urządzeniu mechanicznym z wałem. Te dwa rodzaje pracy są wyrażone w równaniu:

${\ Displaystyle \ delta W = \ operatorname {d} (P _ {\ tekst {na zewnątrz}} V_ {\ tekst {na zewnątrz} })-\mathrm {d} (P_{\text{in}}V_{\text{in}})+\delta W_{\text{wał}}}$

Podstawienie do powyższego równania objętości kontrolnej cv daje:

${\ Displaystyle \ operatorname {d} U_ {cv} = \ operatorname {d} U_{\text{in}}+\mathrm {d} (P_{\text{in}}V_{\text{in}})-\mathrm {d} U_{\text{out}}- \mathrm {d} (P_{\text{out}}V_{\text{out}})+\delta Q-\delta W_{\text{wał}}\,}$

Definicja entalpii , H = U + PV , pozwala nam wykorzystać ten potencjał termodynamiczny do łącznego uwzględnienia energii wewnętrznej U i pracy PV w płynach w procesie przepływu:

$\ Displaystyle \ operatorname {d} U_ {cv} = \ operatorname {d} H _ {\ tekst {w}} - \ operatorname {d } H_{\text{out}}+\delta Q-\delta W_{\text{wał}}}$

Podczas pracy urządzenia w stanie ustalonym ( patrz turbina , pompa i silnik ) każda właściwość systemu w objętości kontrolnej jest niezależna od czasu. Zatem energia wewnętrzna układu zamkniętego w objętości kontrolnej pozostaje stała, co oznacza, że ​​d U _cv w powyższym wyrażeniu może być równe zeru. Daje to użyteczne wyrażenie na energii lub zapotrzebowanie na te urządzenia przy jednorodności chemicznej przy braku reakcji chemicznych :

${\ Displaystyle {\ Frac {\ delta W _ {\ tekst {wał}}} {\ operatorname {d} t}} = {\frac {\mathrm {d} H_ {\text{in}}}{\mathrm {d} t}}-{\frac {\mathrm {d} H_{\text{out}}}{\mathrm { d} t}}+{\frac {\delta Q}{\mathrm {d} t}}}$

To wyrażenie jest opisane na powyższym diagramie.

Zobacz też

• Schemat przepływu procesu
• Równanie energii przepływu ustalonego / Pojedynczy przepływ w stanie ustalonym