1. Основні визначення термодинаміки

1.1. Методи термодинамічного аналізу довкілля

Хімічна промисловість переробляє велику кількість сировини, але при цьому споживає велику кількість води, теплової, механічної та електричної енергії.

Апарати для переробки сировини та допоміжне обладнання, а також установки для вироблення, передачі та перетворення енергії (енергетичні установки) в комплексі складають енерго-хіміко-технологічні системи (ЕХТС).

Термодинаміка – наука про енергію та її властивості .

Оскільки всі процеси, які будуть розглядатися в даному курсі, зв’язані з перетворенням та передачею енергії, вкажемо основні положення та поняття термодинаміки.

Технічна термодинаміка вивчає :

• закономірності перетворення теплоти та роботи;

• властивості тих тіл, які приймають участь в цьому перетворенні;

• процеси, які протікають в теплових та холодильних апаратах та машинах.

В основу термодинаміки покладені два основних закони. Це перший та другий закони термодинаміки.

Перший закон термодинаміки характеризує кількісну сторону процесів перетворення енергії, а другий закон встановлює якісну сторону (напрямок) процесів, які проходять у фізичних системах.

З цієї точки зору розглянемо методи термодинамічного аналізу ЕХТС:

1. енергетичний метод базується на знаннях закону збереження енергії. Він дозволяє дати оцінку втратам енергії всієї системи та окремих її елементів, а також дає можливість виявити елементи ЕХТС, процеси в яких протікають з найбільшими втратами. Недоліком цього методу є те, що він не враховує цінності різних видів енергії (тобто здатності робочого тіла виконувати роботу);

2. ексергетичний та ентропійний методи аналізу позбавленні цього недоліку. Вони дозволяють визначати для кожного технологічного процесу та його елементів втрати працездатності та втрати на необоротність реальних процесів. Ентропійний метод дозволяє на базі першого та другого законів термодинаміки знайти зв’язок між зовнішніми енергетичними потоками (кількістю теплоти та роботи) та параметрами системи, а також між деякими внутрішніми параметрами. Ексергетичний метод дозволяє визначити граничні можливості процесів, джерела втрат та шляхи їх ліквідації, підвищують ефективність даних ЕХТС та їх елементів.

Всі процеси, які протікають в реальних умовах, є необоротними. Необоротність є причиною недосконалості будь-якого реального процесу, апарату, машини чи установки в цілому. Тому завжди ККД < 1. В даному випадку ми говоримо не про втрату енергії, а про зниження її якості. Прикладом може служити дросельований потік робочого тіла.

Отже:

енергія – загальна кількісна міра всіх видів руху матерії. В залежності від цього розрізняють :

внутрішня енергія – сума кінетичної енергії хаотичного руху молекул та потенціальної енергії взаємодії молекул між собою. Не залежить ні від механічного руху тіла, ні від положення цього тіла відносно інших тіл; залежить тільки від стану тіла;

хімічна енергія – складається з кінетичної енергії руху електронів та електричної енергії взаємодії їх між собою та атомними ядрами.

Форми обміну енергії між тілами, або між термодинамічною системою (ТДС) та навколишнім середовищем (НС):

1. виконання роботи одним тілом над іншим, або ТДС над НС;

2. передача теплоти від більш нагрітого тіла до менш нагрітого;

3. перенесення речовини (маси) від одного тіла до іншого.

Розглянемо ці форми детальніше.

І. Робота – передача енергії внаслідок макроскопічного впорядкованого руху мікрочастинок.