Bazele Termodinamicii Tehnice

1. 1 Obiectul termodinamicii, concepte fundamentale

Termodinamica, ramura a stiintelor naturii, studiaza miscarea moleculara din interiorul corpurilor precum si fenomenele determinate de actiunea particulelor elementare constitutive ale corpurilor. Astazi termodinamica înglobeaza comportarea generala a sistemelor fizice, conceptele ei fiind extinse la analiza sistemelor economico - sociale, a ecosistemelor, a planetelor, a sistemelor spatiale.

Termodinamica aplicata realizeaza în mod sistematic studiul relatiei dintre caldura, lucru, temperatura si energie precum si comportarea sistemelor fizice în conditii de echilibru sau în apropiere de acestea. În acest scop termodinamica aplicata studiaza starile de echilibru energetic ale sistemelor fizice, compuse din corpuri sau ansambluri de corpuri, si urmareste procesele care conduc la stabilirea acestor stari, conditiile de echilibru si proprietatile pe care le au sistemele aflate în echilibru.

Termenul de energie (lb. greaca : energia, energeia), care defineste capacitatea unui sistem de a efectua actiuni, a fost introdus la începutul secolului al XVII în studiul mecanicii.

Aplicar

ea principiilor stiintei la solutionarea oricarei probleme reale, trebuie sa înceapa în mod necesar cu o delimitare a unei portiuni finite de materie din mediu. Portiune astfel separata (imaginar), si asupra careia se concentreaza studiul si analiza constituie un sistem. Elementele din afara sistemului care sunt implicate, prin diverse legaturi, în comportamentul si evolutia acestuia se numeste mediul ambiant sau mediul înconjurator.

Termodinamica are la baza lucrarile lui Sadi Carnot, care în 1824 a introdus conceptele de ciclul al masinii termice si principiul reversibilitatii, ambele având o importanta capitala la dezvoltarea acestei ramuri a stiintei. Contributia lui Carnot priveste limitarea cantitatii maxime de lucrul ce poate fi obtinut de la o masina cu vapori care foloseste caldura transferata de la o sursa de înalta temperatura. Aceasta reprezinta prima abordare a principiului II al termodinamicii. Mai târziu aceste idei au fost dezvoltate de Rudolf Clausius, care a introdus în 1850, în principiul II al termodinamicii notiunea de entropie. Ulterior principiul II statueaza ca fiecare proces care are loc în natura este ireversibil si unidirectional, ceea ce conduce la cresterea globala de entropie. James Joule enunta în 1840 primul principiu al termodinamicii. Aceste principii constituie baza termodinamicii clasice. Principiile termodinamicii studiaza evolutia macroscopica a sistemelor si starea lor de echilibru.

La începutul secolului XX se dezvolta

conceptul de ireversibilitate si neechilibru în termodinamica. Pionieratul în domeniu apartine lui Lars Onsager. Termodinamica la neechilibru studiaza comportarea sistemelor care nu sunt în stare de echilibru, fiind mai aproape sau mai departe de aceasta.

BTT I, Facultatea Energetica

Prof. Alexandru Chisacof, 2007

1-2

Nicolas Léonard Sadi Carnot, (1796 - 1832), inginer militar francez.

Lars Onsager (1903 - 1976), fizician si chimist norvegiano-american.

Rudolf Emanuel Clausius (1822 - 1888), fizician si matematician german.

Ludwig Boltzmann (1844 - 1906), fizician si filozof al stiintelor austriac.

James Prescott Joule (1818 - 1889) fizician englez.

BTT I, Facultatea Energetica

Prof. Alexandru Chisacof, 2007

1-3

Metodele de studiu ale termodinamicii sunt: metoda fenomenologica si metoda statistica.

Metoda fenomenologica (macroscopica) studiaza proprietatile generale, de ansamblu ale sistemelor fizice formate dintr-un numar finit de corpuri, pornind de la analiza proceselor macroscopice din natura. Aceasta metoda are la baza legile ce guverneaza procesele de schimb de energie la scara macroscopica, pe baza carora se determina relatiile de calcul necesare proiectarii si construirii instalatiilor si masinilor. Aceasta metoda nu explica mecanismul de desfasurare a proceselor moleculare care însotesc fenomenele studiate.

Metoda statistica (microscopica) o completeaza metoda fenomenologica prin luarea în considerare a structurii moleculare a corpurilor, tine seama de mecanismul proceselor ce se desfasoara la nivel molecular. Astfel, corpurile se considera ca fiind formate dintr-un numar foarte mare de particule elementare aflate în interactiune datorita starii lor de mobilitate. Contributii fundamentale la dezvoltarea termodinamicii statistice se datoreaza lui Ludwig Boltzmann.

Termodinamica aplicata la sistemele tehnice implica analiza unor procese specifice care au loc fie simultan, într-o anumita înlantuire în timp, a proprietatile purtatorilor de energie si eficienta de conversie a formelor de energie.

Pentru exemplificare, în figura 1. 1 se prezinta schema de principiu a unei centrale termo-electrice cu cogenerare. Agentul de lucru este constituit din apa sub forma lichida si gazoasa (abur). În generatorul de abur se degaja energie, fie prin combustie, reactie de oxidare exoterma, fie printr-o reactie nucleara, energie transferata sub forma de caldura la fluidul de lucru  apa, fluid care îsi modifica starea de agregare din lichid în vapori pe baza proceselor de încalzire, vaporizare si supraîncalzire. Vaporii de apa sunt condusi la turbina, echipament în care energia aburului se transforma în energie cinetica, energie care este transferata sub forma de lucru mecanic la generatorul electric, masina care transforma lucru în energie electrica.

Agentul

termic este evacuat din turbina spre condensator, dispozitiv în care se realizeaza condensarea vaporilor, adica transformarea vaporilor în stare lichida. Condensatorul este alcatuit din serpentine prin care circula agent de racire, agent ce poate fi constituit din apa sau aer. Lichidul obtinut prin condensare este preluat de pompa de alimentare si reintrodus în generatorul de vapori. Din turbina cu abur se poate extrage un debit de abur la o anumita presiune, debit care poate fi folosit la alimentarea cu caldura a consumatorilor urbani, respectiv industriali, consumatori aflati în exteriorul centralei. O parte din apa în stare lichida obtinuta prin condensare la consumatorii externi centralei este returnata la circuitul apa-vapori al centralei. Din schema prezentata în fig. 1. 1 se observa ca din instalatia energetica se evacueaza în mediu: gaze de adere prin cosul de evacuare, echipament care realizeaza si dispersia gazelor; caldura de condensare, caldura transportata de agentul de racire si evacuata la turnul de racire. Acesti efluenti formeaza principalele surse de poluare a mediului. Fluxurile de masa si energie ce interactioneaza cu mediul, conditioneaza functionarea si performantele sistemului de compozitia si parametrii mediului care îl înconjoara.

Se constata ca pentru realizarea functionarii centralei termoelectrice cu co-generare, sunt necesare o serie de procese si transformari termodinamice. Dintre principalele procese ce apar în cursul functionarii sistemului analizat, se disting:

- procese de combustie prin arderea combustibilului în generatorul de vapori, respectiv procesul de fisiune în cazul centralelor nucleare;

- procese de transfer de energie sub forma de caldura care apar în principal în generatorul de vapori, în condensator si în sistemul de alimentare cu caldura urban/industrial;

- procese de curgere a fluidelor în turbina, pompe, conducte de legatura;

BTT I, Facultatea Energetica

Prof. Alexandru Chisacof, 2007

1-4

- procese de transformare a energiei potentiale în lucru mecanic, prin punere în miscare a paletelor din turbina de catre aburul ce iese cu viteze ridicate din ajutaje;

- procese de transformare a lucrului mecanic în energie potentiala în pompe;

- procese de purificare, de tratare si de dispersie a efluentilor care poarta particule solide, gaze, vapori, radiatii nucleare.