Introducere

Principiile 0, I si II ale termodinamicii introduc cte un parametru de stare (temperatur, energie intern i entropie).

Principiul al II-lea al termodinamicii nu este o lege de conservare deoarece entropia nu se conserv n timp n procesele naturale.

Principiul al II-lea indica sensul evolutiei sistemelor izolate adiabatic. Sistemul termodinamic izolat de mediul exterior evolueaza spontan si ireversibil catre starea de echilibru termodinamic, pe care nu o parasesc de la sine.

Conform principiului al II-lea, starea de echilibru termodinamic corespunde maximului de entropie.Realizarea unei transformri ciclice necesita minim dou surse termice, o compresie, respectiv o destindere.

Ciclurile termodinamice pot fi:

- n circuit nchis, fr schimb de substan- n circuit deschis, cu schimb de substan.

-cicluri motoare

-cicluri inversate

Termotehnica, sau termodinamica tehnic este tiina care se ocup cu aplicarea n

practic a legilor i principiilor termodinamicii. Obiectivul principal al termotehnicii este acela

de a mbunti tehnologiile de conversie, transport i utilizare a diferitelor forme de energie

(mai ales termic i mecanic), n principal prin reducerea pierderilor i creterea

randamentelor. Termotehnica poate deci fi considerat tiina energiei, fiind o disciplin

tehnic fundamental n pregtirea specialitilor din domeniul energiei. Prima carte de

termodinamica tehnic a fost publicat de Rankine n 1859.Termodinamica este un domeniu important al fizicii clasice care se ocup cu studiul

nzicrii termice i al proceselor care produc modificri ale acesteia. Particulele oricrui corp cu

temperatur diferit de zero absolut au mai multe tipuri de micare termic (agitatie

molecular): translatie, vibratie, rotatie etc. Mrimile fizice care caracterizeaz aceste tipuri de

micare (vitez, frecvent, amplitudine, vitez unghiular etc.) se pot modifica prin schimb de

energie cu alte corpuri. n sfera larg de studiu a termodinamicii intr practic toate proceselecare pot produce modificri ale caracteristicilor micrii termice, deci nu numai procese termice,

ci i chimice, electrice, magnetice etc.Se numete sistem nchis un sistem care nu poate schimba materie cu mediul ambiant.Un sistem nchis are n general frontiere reale, dar nu neaprat fixe, astfel nct volumul

sistemului se poate modifica. Masa sistemului rmne ns constant i se mai numete mas decontrol. Un exemplu de sistem termodinamic nchis este un gaz aflat ntr-un cilindru nchis

etan de un piston care se poate deplasa axial n interiorul cilindrului (figura 1.1).

Se numete sistem deschis un sistem care schimb materie cu mediul nconjurtor. Un

sistem deschis poate avea att frontiere reale, ct i frontiere imaginare, acestea fiind ns fixe,

astfel nct volumul sistemului rmne constant i se mai numete volum de control. Un

exemplu de sistem termodinamic deschis este fluidul de lucru care se destinde ntr-o turbin

(figura 1.2). n acest caz, frontierele reale sunt pereii turbinei, iar frontierele imaginare sunt

seciunile de intrare i ieire a fluidului de lucru. ntr-un sistem deschis de acest tip fluidul de

lucru se deplaseaz (curge) continuu prin volumul de control.

n practic se utilizeaz i maini sau instalaii n care au loc procese complexe, astfel

nct n timpul unora dintre ele sistemele sunt nchise, iar n timpul altora sistemele sunt

deschise. Un exemplu de acest tip este cilindrul unui motor cu ardere intern n patru timpi.Pentru a putea compara proprietile termoodinamice ale diferitelor substane, mai ales

ale gazelor, n aceleai condiii de presiune i temperatur, este necesar definirea unei stri de

referin, numit de obicei stare normal i care poate fi uor reprodus practic n condiii de

laborator. n prezent sunt acceptate dou stri de referin, definite prin anumite valori ale

presiunii i temperaturii. Acestea sunt:

l. Starea normal fizic, notat cu indice N, n care temperatura este tN = 0C (sau

TN = 273,15 K) i presiunea pN = 760 mmHg = 760 torr = l atm = 101.325 N/m2 =

:101.325 Pa = l,01325 bar;

2. Starea normal tehnic, notat cu indicele n, n care temperatura este tn = 20C(sau Tn = 293,15 K) i presiunea pn = 1 kgf/cmz = l at = 98066,5 Pa = 0,981 bar.

Conform postulatului de stare, starea unui sistem este definit de doi parametri de stare

independeni, dar n cazul unui proces de vaporizare presiunea i temperatura nu sunt parametriindependeni. Se tie c, dac un proces de schimbare a strii de agregare are loc la presiune constant, atunci i temperatura rmne constant pe tot parcursul procesului. Deci pentru fiecare valoare a presiunii, exist o valoare unic a temperaturii de saturaie i invers.

Figura 1.3: Curba limit de vaporizare n diagrama p-v

n figura 1.3 este reprezentat diagrama p-v pentru ap, dar numai parte din aceasta

care prezint interes practic n continuare, respectiv deasupra strii triple i fr a lua nconsiderare domeniul solid. Prin convenie, strile de lichid saturat i parametrii lor de stare se

noteaz cu (), iar cele de vapon' saturai uscai (n cazul apei, abur saturat uscat) cu ().

Pentru ap, parametrii de stare au valorile:

starea tripl: pt = 0,006108 bar; Tt = 273,16 K = 0,01 C, vt = 0,0010002 m3/kg,

vt = 206,3 m3/kg;

starea critic: pcr = 221,297 bar Tcr = 647,3 K = 374,15 C vcr = 0,00326 m3/kg.

EntalpiaConstatnd c n multe cazuri ntlnite n studiul termodinamicii apare des suma dintre

energia intern i produsul dintre presiune i volum, n 1869 Kamerlingh a artat c esteconvenabil s se utilizeze un nou parametru de stare pe care l-a numit entalpie i l-a notat cu

H (n tennotehnic se utilizeaz i notaia 1), care are aceeai unitate de msur cu energia

(Joule - [J]) i este denit ca:

I = H = U+p V [J]Parametrul de stare intensiv numit entalpie specific masic (sau pe scurt entalpie

specific) definit prin raportare la masa sistemului este:

i = h = u +p v [J/kg]Deoarece U, p i V (respectiv v) sunt parametri de stare, este evident c i entalpia(respectiv entalpia specific) este un parametru de stare. Dei are ca unitate de msur Joule,

care este unitatea de msur a energiei, entalpia nu are n general un sens fizic. Ea este doar o

notaie, o mrime de calcul, folosirea ei fiind avantajoas deoarece simplic nu numai scrierea,ci i calculele, aprnd uzual n tabele i diagrame termotehnice.

Lucrul mecanic tehnic

Considerm un sistem tennodinamic deschis prin care curge un fluid. Sistemul este izolat adiabatic, iar fluidul de lucru sufer n interiorul sistemului o transformare din starea l, cu care intr n sistem, pn n starea 2, cu care iese din sistem. Multe din mainile termice utilizate n practic sunt sisteme de acest tip. Ca exemplu, n figura 1.4 este reprezentat o main tennic motoare i anume o turbin.

n turbin intr un fluid cu starea 1 (p1, v1, T1), care curge printre paletele turbinei i se destinde, ieind cu starea 2 (p2, v2, T2). n general p2 < p1 i v2 > v1. n interiorul turbinei, fiecare unitate de mas de fluid de lucru produce un lucrul mecanic exterior (l12) i consum un lucru mecanic de deplasare (ld12) pentru a curge prin turbin de la seciunea de intrare pn la seciunea de ieire.Lucrul mecanic utilizabil n afara sistemului, sau lucrul mecanic furnizat la arborele

turbinei, se numete lucru mecanic tehnic, se noteaz cu Lt i are unitatea de msur [J]. Lucrul

mecanic furnizat la arborele turbinei de unitatea de mas de fluid de lucru se numete lucru

mecanic tehnic specific masic, se noteaz cu lt i are unitatea de msur [J/kg].n figura 1.5 este reprezentat ciclul Carnot motor n diagrama p-v. Din starea l, starea

cu parametri cei mai ridicai (presiunea i temperatura maxime), fluidul de lucru se destinde

izotermic (la temperatura T) pn n starea 2, unitatea de mas prelund cldura specific q de la

sursa cald, dup care se destinde adiabatic pn la temperatura minim (To). Urmeaz

comprimarea izotermic pn n starea 4, n timpul creia fluidul de lucru cedeaz cldura

specific masic qo sursei reci i comprimarea adiabatic pn n starea iniial l.

Figura 1.5: Ciclul Carnot n diagrama p-vn cazul n care pe parcursul ciclului apar procese de schimbare a strii de agregare

respectiv de condensare i de vaporizare, ciclul se numete Clausius - Rankine. Poriunile din

transformrile izobarice care au loc pe durata schimbrii strii de agregare sunt evident i

izotermice, deci ciclul Clausius - Rankine se apropie destul de mult de ciclul Camot.Ciclul Clausius Rankine motor este ciclul dup care funcioneaz centralele termice defor cu abur. n figura 1.6 este reprezentat schema de principiu simplificat a unei centrale

tennoelectrice (CTE) cu abur.

K - cazan

S - supranclzitorT - turbinC - condensatorP - pompG - generator electricQ1 - cldura primitQ2 - cldura cedattw1 - temperatura cu care apa de rcire intr n

condensator

tw2 - temperatura cu care apa de rcire iese

din condensator tw - diferena de temperatur dintre apa care

Figura 1.6 : Schema unei CTE care intr i apa care iese din condensator

funcioneaz dup ciclul Clausius Rankine

Fa de ciclul Causius - Rankine teoretic prezentat anterior, aburul supranclzit cu

starea l se destinde n treptele de nalt presiune ale turbinei pn la starea 2 de abur saturat

uscat, dup care este readus la instalaia de cazan n supranclzitorul 2, unde se reia

supranclzirea pn la temperatura T3 aproximativ egal cu T1 (eventual puin mai mic)

Aburul supranclzit cu starea 3 se destinde n treptele de joas presiune ale turbinei pn n

starea 4 (n general abur saturat umed). Schema unei centrale termoelectrice cu abur cu o

singur re-supranclzire este prezentat n figura 1.7, iar ciclul tennodinamic corespunztor

este prezentat n diagrama T -s n figura 1.8. Unde:

S1 - supranclzitor lS 2 - supranclzitor 2Tp - trepte de nalt presiune

Tjp -trepte de joas presiune

K - cazanC - condensatorGE generatorp1 =p8= p7 = p6 > p2 = p3Figura 1.7: Schema unei CTE care funcioneaz dup ciclul Clausius - Rankine cu supranclzire

intermediar

Prin treptele de nalt i respectiv de joas presiune (Tip, LP) ale turbinei aburul curge n sensuri opuse, pentru ca forele axiale s se echilibreze ntre ele. Toate treptele turbinei sunt montate pe acelai arbore.

Figura 1.8: Ciclul Clausius Rankine cu o re-supranclzire n diagrama T -sAvantaje: titlul aburului la ieirea din turbin crete fa de situaia cu o singur supranclzire:

x4 > x2 ;randamentul tennic al ciclului crete fiindc lucrul mecanic tehnic produs prin destindere n ambele corpuri ale turbinei crete mult mai mult dect cldura preluat de fluidul de lucru ntransformrile 6-1 i 2-3:

Dezavantaje:crete complexitatea instalaiei, necesitnd un supranclzitor n plus, conduct de legtur etc.;

crete complexitatea turbinei, deci material i manoper n plus,

crete costul instalaiei.

Creterea randamentului termic este din ce n ce mai mic cu fiecare supranclzire

suplimentar. Din aceste considerente economice, mai mult de dou re-supranclziri nu se

justific i acestea numai la instalaiile de puteri mari i cu presiuni mari n cazan. n cazul

instalaiilor mai mici, cu o singur re-supranclzire, n general p2 = p3 = 20 - 40 bar.