Category Archives: Termodinamika

Šta bi se desilo ako bi balon eksplodirali u zatvorenoj prostoriji sa vakuumom?

Ako nema vanjskog pritiska, prva zanimljiva stvar je što bi nam bilo jako lagano napuhati balon, toliko bi ga brzo napuhali da bi on vrlo brzo i pukao. Kad bi balon pukao, sav taj vazduh iz balona bi se ravnomjerno rasporedio po prostoriji i vjerojatno nastavio da se kreće određenom brzinom ili kinetičkom energijom, ako se ta kinetička energija ne bi izgubila na zagrijavanje prostorije. Balon zapravo ne može ni biti u vakuumu osim ako se ne radi o balonu od nekog ekstremno jakog materijala, jer balon u vakuumu puca brzinom zvuka u vakuumu.

Slična stvar se desi kad pošaljemo balon u bezvazdušni prostor u orbitu oko Zemlje. Balon naglo pukne, sav materijal se raširi u okolni skoro prazan prostor. U praznom prostoru nema ni zvuka, tako da se eksplozija ne bi ni čula.

Kada gledate balon na Zemlji u vazduhu, on izgleda mirno, međutim te molekule su očajne da izlete iz balona i ako nema vanjskog pritiska da ih zadrži, one će izletjeti brzinom zvuka iz balona!

Molekule vazduha drže određene sile na okupu, isto i atome. Atomi i molekule iz balona “bježe” u vakuum zato što se već kreću određenim brzinama i nema ništa da ih zaustavi. Kad se nađu u vakuumu, ništa specijalno ne djeluje na njih osim onog šta je već u njima. Ako imaju određenu brzinu… nastaviti će se kretati tom brzinom dok se ne sudare s nekim drugim tijelom. Ako je molekula na okupu ona će i dalje ostati na okupu u vakuumu. Ništa je neće rastrgati. Nema sile u vakuumu, nego ima nedostatak sile. Ništa ne djeluje vakuumu, pa šta god ima neki unutrašnji pritisak, taj ga unutrašnji pritisak “podere” jer nema ništa s vana da taj pritisak izbalansira.

Šta je to slobodna energija?

Termodinamička slobodna energija je količina rada koju može izvršiti termodinamički sistem. Koncept je koristan u termodinamici hemijskih ili termičkih procesa u inženjerstvu i nauci. Slobodna energija je unutrašnja energija sistema minus količina energije koja se ne može koristiti za obavljanje posla. Ovu zanimljivu energiju daje entropija sistema pomnožena temperaturom sistema.

Kao i unutrašnja energija, slobodna energija je termodinamička funkcija stanja. Energija je generalizacija slobodne energije, jer je energija sposobnost rada koja je slobodna energija.



Slobodna energija je taj dio bilo koje prve energije koja je dostupna za izvođenje termodinamičkog rada; tj. rad posreduje toplotnom energijom. Slobodna energija podleže nepovratnom gubitku tokom takvog rada. Pošto je energija prvog zakona uvijek konzervirana, evidentno je da je slobodna energija potrošna i da ta vrsta energije može obavljati rad u konačnom vremenu. Nekoliko slobodnih energetskih funkcija može se formulisati na osnovu kriterijuma sistema. Slobodne energetske funkcije su Legendre transformacije unutrašnje energije.

Značenje “slobodnog”

Osnovna definicija “energije” je mjera telesne (u termodinamičnosti, sistemu) sposobnosti izazivanja promjena. Na primer, kada osoba gurne tešku kutiju nekoliko metara napred, ta osoba koristi energiju tako što ju troši u obliku mehaničke energije, poznate i kao rad, u kutiji na udaljenosti od nekoliko metara napred. Matematička definicija ovog oblika energije je proizvod sile koja se vrši na objektu i rastojanja na kome se kutija pomjerila (Rad= Sila x Pređeni put). Pošto je osoba promjenila stacionarni položaj kutije, ta osoba je izvršila energiju na toj kutiji. Rad koji se primenjuje se takođe zove “korisna energija”, jer sva energija od osobe ide u pokretanje kutije. Budući da energija nije stvorena niti uništena, već je konzervisana (1. Zakon termodinamike), ona se konstantno pretvara iz jednog oblika u drugi. Za slučaj osobe koja gura kutiju, energija u obliku interne (ili potencijalne) energije dobijene metabolizmom pretvorena je u rad kako bi potisnula kutiju.




Ova konverzija energije, međutim, nije linearna. Drugim rečima, neka unutrašnja energija je ušla u guranje kutije, dok su se neke izgubile u vidu toplote (toplotne energije). Razlika unutrašnje energije koja je definisana U i energije koja je izgubljena tokom rada, obično je u obliku toplote, koja se može definisati kao proizvod apsolutne temperature T i entropije S (entropija je mjera poremećaja u sistemu, konkretnije mjera toplotne energije koja nije dostupna za obavljanje posla) tijela je ono što se zove “korisna energija” tijela, ili rad tela koji se obavlja na objektu. U termodinamici, to je ono što je poznato kao “slobodna energija”. Drugim riječima, slobodna energija je mjera rada (korisna energija) koju sistem može izvesti.

Matematički, slobodna energija se izražava kao:

slobodna energija = U-TS

Ovaj izraz znači da je slobodna energija razlika ukupne unutrašnje energije sistema, a energija koja nije dostupna za obavljanje posla, izmenjena apsolutnom temperaturom sistema, poznata i kao entropija .

U 18. i 19. vijeku, teorija toplote, tj. da je toplota oblik energije koja ima vezu sa vibracionim pokretom, počela je da zamjenjuje i kaloričku teoriju, tj. da je toplota fluid. Na sličan način, tokom ovih godina, toplota se počela razlikovati u različitim kategorijama, kao što su “slobodna toplota”, “kombinovana toplota”, “sjajna toplota”, specifična toplota, toplotni kapacitet, “apsolutna toplota”, “latentna toplota “,” slobodna”, itd.

Tako je, u tradicionalnoj upotrebi, pojam “slobodne energije” vezan za Gibbsovu slobodnu energiju, odnosno za sisteme pri konstantnom pritisku i temperaturi, ili Helmholtz slobodnu energiju, odnosno za sisteme na konstantnoj zapremini i temperaturi, znači “dostupna u obliku korisnog rada. “U vezi sa slobodnom energijom Gibbs-a, dodajmo kvalifikaciju da je to slobodna energija za rad bez zapremine.



Kao i kod opšteg koncepta energije, slobodna energija ima više definicija, u zavisnosti od uslova. U fizici, hemiji i biologiji, ovi uslovi su termodinamički parametri (temperatura T, zapremina V, pritisak P, itd.). Naučnici su došli do mnogih načina da definišu slobodnu energiju, a zadržavaju određene parametre od promjene; matematički izražena kao (Kada se temperatura i volumen zadržavaju konstantni, ovo je poznato kao Helmholtz slobodna energija A. Matematički izraz Helmholtzove slobodne energije je:

A = U-TS

Ova definicija slobodne energije je korisna u fizici za objašnjavanje ponašanja izolovanih sistema koji se čuvaju u stalnom volumenu. U hemiji, s druge strane, većina hemijskih reakcija se drži pod stalnim pritiskom. Pod ovim uslovima, toplota reakcije je jednaka entalpi H reakcije, ili sve energije povezane sa reakcijom. Na primjer, ako je istraživač želio da izvrši reakciju sagorjevanja u toplotnoj pumpi, pritisak se održava konstantno tokom reakcije po molu supstance sistema (reaktanti i proizvodi). Zbog toga je toplota reakcije direktna mjera entalpije H reakcije. U ovom slučaju, unutrašnja energija može biti mjera entalpije reakcije u pitanju (H = U). Tako je pod konstantnim pritiskom i temperaturom slobodna energija u reakciji poznata kao Gibbsova slobodna energija G.

slobodna energija u reakciji poznata je kao Gibbsova slobodna energija G.

G = H-TS
Eksperimentalna korisnost ovih funkcija ograničena je na uslove u kojima su određene varijable (T, V ili vanjske p) konstantne, iako imaju teorijski značaj u izradi Makswellovih relacija. Rad koji nije dV može se dodati, npr., Za elektrohemijske ćelije, ili dx radi u elastičnim materijalima i u kontrakciji mišića. Drugi oblici rada koji se ponekad moraju smatrati naponskim, magnetnim, kao što je slučaj sa adiabatskom demagnetizacijom koja se koristi u pristupu apsolutnoj nuli, i radi zbog električne polarizacije. Ovi su opisani tenzorima.



U većini slučajeva interesovanja postoji unutrašnji stepen slobode i procesa, kao što su hemijske reakcije i fazni prelazi, koji stvaraju entropiju. Čak i za homogene materijale, funkcije slobodne energije zavise od (često potisnutog) sastava, onih od svih odgovarajućih termodinamičkih potencijala (opsežnih funkcija), uključujući unutrašnju energiju.

Najduži eksperiment ikad!

Eksperiment australskog Univerziteta Queensland neprekinuto je trajao od 1927. godine.

Profesor Thomas Parnell je davne 1927. godine studentima htio pokazati kako je katran tekućina, mada na sobnoj temperaturi izgleda kao čvrsta tvar.

U lijevak je stavio komad katrana, prekrio ga staklenim zvonom, zapečatio i ostavio u kabinetu univerziteta. Nakon 3 godine (1930.) otpečatio je lijevak, ispod njega postavio čašu, te započeo s praćenjem viskoziteta u nastojanju bilježenja kapanja katrana u čašu.

Na njegovu žalost, niti jedan njegov student se nije mogao uvjeriti u to da katran doista može kapati na sobnoj temperaturi, jer je prva kap pala tek nakon 8 godina, a svakoj idućoj je trebalo između 7 i 12 godina da završi u čaši ispod lijevka.

Do danas je ukupno palo oko 10 kapi, a 2000. godine ih je bilo dovoljno za izračunati viskozitet katrana, pa danas imamo naučni podatak da je oko sto milijardi puta manje viskozan nego voda.

Niko od studenata nije vlastitim očima vidio trenutak kada je neka kap pala u čašu, a profesor John Mainstone je nastavio istraživanja Parnella, uočivši da se jedne večeri 1979., kap katrana nalazila vrlo blizu dna čaše, da bi drugo jutro ustanovio kako je pala u nju.

Mainstone si nije mogao oprostiti što je za tako malo propustio trenutak padanja kapi, a da bi stvar bila još luđa, trenutak padanja osme kapi 2000. godine nije zabilježen ni postavljenom video kamerom, jer se pokvarila baš u trenutku kada je došlo do tog “historijskog događaja”.

Izvor: www.infima.ba

Šta su to fazni prijelazi?

Fazni prijelazi

 




Animacija 1: Taljenje leda.
Fazni prijelazi su promjene stanja pojedine faze (elementarne, spoja, eutektičke smjese, peritektičkog spoja i slično) pri promjeni temperature. Razlikuju se fazni prijelazi I. vrste, kod kojih su u stanju ravnoteže slobodne entalpije u obje faze jednake po vrijednosti, ali se pritom entropija i volumen skokovito mijenjaju, i fazni prijelazi II. vrste, kod kojih se u stanju ravnoteže ne mijenjaju ni entalpija, ni entropija, ni volumen. U fazne prijelaze I. vrste spadaju na primjer taljenje, isparavanje i sublimacija, a u fazne prijelaze II. vrste prijelazi kod kojih na primjer tvari gube feromagnetička svojstva (Curieva temperatura), pojava supravodljivosti, procesi razlaganja i stvaranja međumetalnih spojeva u čvrstoj fazi i tako dalje.

Fazni prijelaz događa se uvijek kad se neka fizička karakteristika tvari mijenja.
Uobičajeni fazni prijelazi su
 Kruto u tekuće – taljenje
 Tekuće u plinsko – vrenje
 Fazni prijelazi uključuju promjenu u unutrašnjoj energiji, ali ne promjenu temperature.


Slika 1: Fazni prijelazi između leda do vodene pare.
Entalpije taljenja, skrućivanja, isparavanja, sublimacije, kondenzacije odnose se samo na promjenu faze, što znači da se toplina nije trošila na zagrijavanje. Pri taljenju leda promjena entalpije iznosi: ΔH(273.15K)=6009 J/mol . Sva dovedena energija, trošila se samo za savladavanje intermolekularnih sila. Za vrijeme faznog prijelaza toplina je Q = m L . L je latentna toplina tvari, a m masa tvari. Latentan znači skriven. 2260 kJ/kg pri 100°C je latentna toplina vode.
Izvori:
1. http://mapmf.pmfst.unist.hr/~agicz/PredNU7slike.pdf
2. https://hr.wikipedia.org/wiki/Fazni_prijelazi

 


Šta su to rashladni uređaji i na kojem principu rade?

Rashladni uređaji svoj rad zasnivaju na prirodnoj osobini plina, ta osobina je da se plin grije kada se sabija (prelazi iz plinovitog u tečno agregatno stanje), a hladi kada se širi (prelazi iz tečnog u plinovito agregatno stanje).

Rashladni uređaji su projektovani i proizvedeni da garantuju maksimalan kvalitet u hlađenju različitih vrsta proizvoda u režimu rada od +10 do -30°C, za različite temperaturne režime a prema zahtevima tehnologije hlađenja proizvoda. Pored standardnih rashladnih sistema proizvode se i rashladni sistemi za specijalne namene.

Rashladni uređaji, osim za skladištenje hrane i pića, koriste i za čuvanje lijekova, hemikalija itd. Niža temperatura usporava hemijske reakcije i biološke procese koji dovode, na primer, do pokvarene (i tako nejestive) hrane i neupotrebljivih hemikalija.

Rashladni uređaji se koriste u:

Domaćinstvima
Prehrambenoj industriji
Trgovačkim objektima
Ugostiteljskim objektima
Industriji lijekova
Hemijskim industrijama
Klima uređaji kao specijalna vrsta rashladnih uređaja se koristi za klimatizaciju prostora. Klimatizacija je proces pripreme vazduha u svrhu stvaranja odgovarajućeg stepena ugodnog za boravak ljudi, ali i drugih živih bića.

Princip rada rashladnog uređaja

Proces hlađenja se odvija na sledeći način: Kompresor sabija rashladni fluid (freon) iz prostora nižeg pritiska u prostor višeg pritiska, odnosno uzima fluid iz isparivača i sabija ga u kondenzator. Prilikom sabijanja rashladni fluid, njegov pritisak se povećava a samim ti dolazi do zagrijavanja fluida. Tako zagrijan gas prolazi kroz sušač-filtar, koji upija vlagu i sakuplja nečistoće iz fluida. Nakon što prođe kroz filtar-sušač rashladni fluid prolazi kroz kapilarnu cijev ili ekspanzivni ventil (zavisno od izvedbe i rashladnog kapaciteta rashladnog uređaja). Nakon toga fluid ulazi u veliki prostor isparivača, gdje njegov pritisak naglo pada i dolazi do hlađenja okolnog prostora, odnosno dolazi do oduzimanja toplote okolnome prostoru. Rashladni fluid nakon što izvrši proces hlađenja u isparivaču, ponovo odlazi u kompresor gdje se nastavlja proces cirkulisanja fluida u rashladnom uređaju.



Dijelovi rashladnog uređaja

Rashladne instalacije su smještene u metalno (limeno) kućište koje je obloženo stiroporom ili pur pjenom (poliuretanskom penom). Dijelovi rashladnog uređaja složeni su prema redosledu funkcionisanja:

Kompresor ili elektromotor (ili neki drugi pogon) sa mogućnošću cirkulisanja plina u sistemu.
Kondenzator ili sistem cijevi (sličan hladnjaku automobila) u kojem se plinu povećava pritisak, i plin se (kondenzuje) pretvara u tečno stanje.(pri ovom procesu plin se grije).
Sušač plina i filtra – tečan plin prolazi kroz sušač plina. Sušač je ispunjen silikagelom i ima funkciju upijanja vlage iz freona.
Ekspanzijoni ventil ili kapilara – sprečavaju naglo širenje plina, tako da plin dođe do isparivača u tečnom stanju.
Isparivač – nakon što plin prođe kroz uzak kapilar, dolazi do prostora isparivača gdje njegov pritisak naglo pada, pri čemu se hladi i njegov okolni prostor.
Uređaji za regulisanje i upravljanje – presostat, termostat, higrostat.

Kompresor

Kompresor je glavni dio svakog rashladnog uređaja. Pod pojmom kompresor podraumijevamo takve mašine u kojima se troši mehanički rad da se obavi proces sabijanja gasa. Kompresor sabija gas iz prostora nižeg pritiska u prostor višeg pritiska. Zahvaljujući njemu rashladno sredstvo cirkuliše i mijenja agregatno stanje. Po svojoj konstrukciji kompresori mogu biti :

klipni kompresor
rotacioni kompresor
vijčani kompresor
centrifugalni (turbo) kompresor.
Svaki od njih ima prednosti i mane, a iskustvo u radu sa njima im je odredilo oblast primjene. Najrazličitije konstrukcije i veličine kompresora nalaze se u rashladnom postrojenju, gde je on najbitni, najskuplji i najkomplikovaniji uređaj. Rashladni kapacitet kompresora može da bude:

Mali – do 50 kW,
Srednji – od 50 do 500 kW,
Veliki – veći od 500 kW.

Uloga kompresora koga pokreće motor u rashladnom sistemu je da sabija gas (paru rashladnog fluida) na viši pritisak. Takav gas odlazi u kondenzator gdje se odvija proces hlađenja nekim sekundarnim sredstvom. Sabijeni gas se hladni i kondenzuje na taj način da se odvodi toplota.

Kondenzator

Kondenzatori su izmjenjivači toplote u kojima se kondenzuje para rashladnog fluida, koju sabija kompresor. U kondenzatoru, dok se sabija para rashladnog fluida dolazi do procesa oduzimanja toplote od rashladnog fluida.

Proces oduzimanja toplote od rashladnog fluida možemo podijeliti u tri faze:

prva faza predstavlja hlađenje pare do temperature kondenzacije, to jest do temperature pri kojoj se može izvršiti kondenzacija; za ovaj proces je potrebno 3% površine kondenzatora.
drugu fazu čini sam proces kondenzacije; za ovaj proces je potrebno oko 77% površine kondenzatora.
treću fazu procesa predstavlja podhlađivanje tečnog rashladnog fluida, to jest sniziti temperaturu tečnog rashladnog fluida ispod temperature kondenzacije.
U zavisnosti od načina odvođenja toplote od kondenzatora, odnosno od toga da li se hladi vodom ili vazduhom, postoje:

vodom hlađeni kondenzator
vazduhom hlađeni kondenzator
vodom i vazduhom hlađeni kondenzator
Vodom hlađen kondenzator[uredi]
Kondenzator sa vodenim hlađenjem primjenjuje se u rashladnim postrojenjima većih kapaciteta (od 1 kW pa naviše) i u uslovima koji obezbeđuju dovoljnu količinu jeftine, čiste i nezagađene vode, (bunarska, riječna ili jezerska voda) čije dovođenje odnosno odvođenje nije skupo.

Vazduhom hlađen kondenzator

Ovi kondenzatori se najčešće primjenjuju. Primjenjuju se u rashladnim uređajima od najmanjeg kapaciteta pa do industrijskih rashladnih sistema. Zbog svoje praktičnosti mogu da se primjene na svakom mjestu. Za manje rashladne uređaje ovakvi kondenzatori su najjeftiniji. U zavisnosti od kapaciteta rashladnog uređaja, ovi kondenzatori mogu biti:

sa prirodnim strujanje vazduha (kod manjih rashladnih uređaja),
sa prinudnim strujanjem vazduha, uz pomoć ventilatora (kod većih rashladnih uređaja).
Vodom i vazduhom hlađeni kondenzatori[uredi]
Ovi kondenzatori se primjenjuju u rashladnim sistemima gdje nema dovoljnog dotoka svježe vode ili je voda veoma skupa. Voda se sliva preko cijevi kondenzatora i hladi ih. Slivena voda se pumpom vraća i sakuplja, što omogućava njeno ponovno korištenje. U ove kondenzatore spadaju:

atmosferski kondenzator (ako vazduh struji oko kondenzatorskih cijevi prirodno),
evaporativni kondenzator (ako vazduh struji oko kondenzatorskih cijevi prinudno uz pomoć ventilatora).

Sušač plina i filtar
Sušač plina i filtar su najčešće jedna komponenta u rashladnom sistemu koja je konstruisana tako da vrši dvije radnje istovremeno:

upija vodu iz rashladnog fluida
filtrira rashladni fluid.
Tako da, kada govorimo o sušaču plina odnosno filtru, moramo govoriti kao da su to dvije nezavisne komponente.

Sušač plina uklanja vodu iz instalacije, a postavlja se u tečne vodove (vodove kroz koje teče rashladni fluid) između kondenzatora i ekspanzionog ventila (kapilare). Ispunjava se nekim higroskopnim materijalom (materijalima koji mogu da upiju vodu), kao npr: silikagel, alumogel, molekularna sita, itd. Materijal za apsorbovanje vode ima sposobnost regeneracije koja se postiže zagrijavanjem, iako je to ponekad otežano zbog prisustva ulja.

Na tijelu sušača nalaze se priključci za ulaz i izlaz tečnog rashladnog fluida.

Filtar služi da onemogući protok čvrstih čestica (pijeska, rđe) u komponente rashladnog uređaja, posebno u radni prostor kompresora i ekspanzionog ventila (kapilare), jer može doći do taloženja tih sitnih čestica i blokiranja rada određenih komponenti u rashladnom uređaju.

Filtri se postavljaju tako da rashladni fluid teče kroz njih, a čestice iz rashladnog fluida se mehanički zaustavljaju, najčešće višeslojnim mrežicama i sitima od sitnih metala (azbestne tkanine ili drugih materijala, zavisno od vrste rashladnog fluida). Kod većih rashladnih filtara mrežice i sita se lako mijenjaju, dok je kod manjih filtara to nepraktično i neisplativo.


Dijelovi sušača plina i filtra:

ulazni priključak
mrežice i sita od sitnih materijala
hidroskopni materijal (silikagel)
kućište (oklop)
izlazni priključak
Ekspanzioni ventil[uredi]
Ekspanzivni ventil je veoma važan element rashladne instalacije. On zatvara ili usporava protok rashladnog fluida, i proporcijonalno ga reguliše kroz isparivač u zavisnosti od toplotnog opterećenja isparivača, održavajući približno konstantan protok fluida. Promenljivost protoka rashladnog fluida povećava iskorišćenost isparivača, zbog bolje okvašenosti unutrašnje površine čime se omogućava pravilan i bezbjedan rad rashladnog uređaja. Ovaj element se koristi u rashladnim postrojenjima sa klipnim kompresorom i sa suvim isparivačom kao i u postrojenjima sa više isparivača, pri temperaturama od –50 °C do 0 °C.

Dijelovi ekspanzionog ventila:

termostatski element
kućište ventila
vreteno ze podešavanje
cijev za spoljšnje izjednačenje pritiska
odvojena izlazna prigušnica
komplet prigušnica
osjetljivi element
kapilarna cijev.
Kapilarna cijev
Kapilarna cijev se koristi na manjim rashladnim uređajima (maksimalno do 10 kW pogonske snage). Ima funkciju usporavanja rashladnog fluida (freona), odnosno sprečava naglo širenje rashladnog fluida. Kapilarna cijev je konstruisana tako da sprečava naglo širenje fluida (freona) (bez određenog mehanizma koji to radi). Kapilarne cijevi su najjednostavni prigušni i regulacioni elementi. Najčešće se prave od bakarnih cijevi sa unutrašnjim prečnikom od 0,4 do 2 mm, i dužine do 2 m. Dužina cijevi za svaki rashladni uređaj treba pojedinačno da se utvrdi.

Kapilarna cijev se nalazi između kondenzatora i isparivača.

Isparivač
Isparivač je element rashladnih instalacija u kome isparava tečni rashladni fluid, oduzimajući toplotu mediju koji treba da se hladi (vodi ili vazduhu), što je i svrha kompletnog rashladnog sistema. U isparivaču rashladnom fluidu pritisak naglo pada, i on počinje da hladi odnosno da oduzima toplotu drugom mediju. Isparavanje se vrši u cijevima ili preko cijevi isparivača. U isparivaču se odvija nekoliko procesa:

strujanje fluida
isparavanje fluida
prelazak toplote
Isparivače možemo podijeliti po raznim kategorijama: •Prema mediju koji hlade dijelimo ih na:

isparivače za hlađenje vode
isparivače za hlađenje vazduha
•U zavisnosti od načina strujanja fluida dijelimo ih na:

isparivače sa prirodnim strujanjem
isparivače sa prinudnim strujanjem (pumpa pogoni rashladno sredstvo)
•Prema vrsti izvedbe dijelimo ih na:

cijevne isparivači
isparivači sa rebrastom cijevi
isparivači sa snopom cijevi
isparivači sa vertikalnim cevima
polčasti isparivači
dobošasti isparivači
koaksijalni isparivači
•Po načinu isparavanja dijelimo ih na

„suve“, za minus (-) režim rada (minus režim rada je kada rashladni uređaj hladi ispod 0 °C
„preplavljene“, za plus (+) režim rada (plus režim rada je kada rashladni uređaj hladi do 0 °C
•Po načinu ugradnje dijelimo ih na:

zidne isparivače
viseće isparivače
Ipak isparivače najčešće dijelimo prema mediju koji hlade.


Isparivač za hlađenje vode
Ovi isparivači se izrađuju kao potopljeni isparivači koji se potapaju u rezervoar ili bazen u kome se nalazi hlađena tečnost i izrađuju se kao dobošasti isparivači kroz koje struji hladna tečnost. Dobošasti isparivači za hlađenje vode mogu biti sa suvim i preplavljenim isparenjem. Kod isparivača sa suvim isparenjem rashladno sredstvo isparava u cijevima. Za manje kapacitete koriste se koksijalni isparivači, koji se sastoje od jedne ili više unutrašnjih cijevi i jedne spoljašnje (omotača). U unutrašnjim cijevima isparava rashladno sredstvo, dok voda teče u suprotnom smjeru kroz omotač cijevi.

Isparivač za hlađenje vazduha
Isparivači za hlađenje vazduha uglavnom su predviđeni za suvo isparavanje i to tako zvano, mirno hlađenje (bez prinudnog strujanja vazduha) a mogu se koristiti i za dinamičko hlađenje (sa prinudnim strujanjem vazduha). Uglavnom se izrađju od orebrenih bakarnih cijevi. Rebra se obično prave od aluminijuma a njihov razmak zavisi od temperature isparavanje (od 2 do 30 mm). Postoje različiti načini orebravanja a kod nas najčešće se koriste spiralna i lamelasta rebera. Isparivači za mirno hlađenje najčešće se postavljaju u manjim komorama za hlađenje ili zamrzavanje. Sklop koji se sastoji od isparivača, kućišta, ventilatora, posude za skupljanje vode od otapanja inja, naziva se vazdušni hladnjak.

Uređaji za regulisanje i upravljanje
Imamo 3 osnovan uređaja za regulisanje i upravljanje, presostat, termostat i higrostat.

Presostati su električni prekidači koji u zavisnosti od pritiska zatvaraju ili otvaraju strujno kolo, a postavljaju se kao elementi za regulisanje i zaštitu. U zavisnosti od veličine pritiska, razlikujemo presostat niskog i presostat visokog pritiska, kao i diferencijalni presostat. Električni kontakti su su postavljeni tako da pri određenom pritisku ili razlici pritiska strujno kolo prekida ili zatvara. Presostat koji obavlja funkciju zaštite proizvodi se sa dodatnim kontaktom za ponovno uključenje (engl. reset).

Termostat je električni prekidač koji u zavisnosti od temperature prekida ili zatvara strujno kolo. Termostat reguliše rad mnogih uređaja u rashladnoj postrojenju, kao što su: elektromotor, kompresor, magnetni ventil, ventilator. Termostat je konstruisan tako da je njegov mehanizam preko kapilarne cijevi spojen sa davačem (osjetljivim elementom) koji je izveden kao mali rezervoar u kome se nalazi tečnost ili gas. Davač je pričvršćen uz objekat kojem mjeri temperaturu, u zavisnosti da li temperatura raste ili opada fluid u davaču će se širiti ili skupljati. Te promjene preko kapilarne cijevi će pokrenuti mehanizam koji će otvoriti ili zatvoriti strujno kolo.

Higrostat je električni prekidač koji prekida i zatvara strujno kolo u zavisnosti od relativne vlažnosti vazduha. Princip rada im se zasniva na upotrebi soli i rastvora od čije vlažnosti zavisi električna provodnost, odnosno, količina vlage u vazduhu menja vrijednost električnog otpora. Povećanjem vlažnosti se povećava struja koja zagrijava rastvor soli, čauru i otpornički termostat, koji je redno povezan sa promenjivim otpornikom u jednoj grani Vitstnovog mosta u kućištu higrostata, preko koga se podešava odgovarajuća vlažnost. Dobijeni impuls preko pojačavača i releja aktivira kontaktni mehanizam koji zatvara strujno kolo nekog elementa, od čijeg rada zavisi relativna vlažnost u komori gdje je higrostat postavljen.

Rashladni fluidi
Ešer Ves je 1913. godine po prvi put upotrebljava monohlorometan kao radnu materiju u rashladnom uređaju. Dvadesetih godina prošlog vijeka započinje serijska proizvodnja rashladnih uređaja sa monohlorometanom ili sumpor–dioksidom kao radnom materijom. Freon 1945. godine postaje najznačajnija radna materija u rashladnoj tehnici, i zadržava se do danas.

Rashladni fluid je radan materija koja cirkuliše u postrojenju za hlađenje i od čije promjene agregatnog stanja direktno zavisi proces hlađenja. Da bi rashladni uređaj imao što veći efekat, fluid mora da ispuni određene termičke, fizičke i hemijske uslove.

Rashladni fluid treba da ima sledeće osobine:

veliku toplotu isparavanja
specifična toplota tečnosti treba da bude što manja
potreban rad sabijene pare fluida treba da bude što manji
kritična temperatura fluida treba da bude veća od maksimalne temperature kondenzacije
ako je specfična zapreminska rashladna sposobnost veća, manje su dimenzije cijelog sistema
ako je koeficijent provođenja toplote kroz fluid i koeficijent prelaza toplote između fluida i metalnih zidova kondenzatora veći, smanjuje se dimanzija kondenzatora
temperatura smrzavanja treba da bude niža od najniže temperature koja može da nastane u mašini
pritisci kondenzacije i isparavanja treba da budu pogodni, pritisak kondenzacije što niži pritisak isparavanja što viši.
da nije zapaljiv
da nije otrovan
kontrola isticanja fluida treba da bude laka i jeftina
da se fluid lako meša sa uljima za podmazivanje
da ima stabilan hemijski sastav
da ima što manju viskoznost
da nema korozivno dejstvo na metale i zaptive metale, kao ni štetno dejstvo na namirnice u slučaju da dođe do isticanja.
da nije skup
Vrste rashladnih fluida
Amonijak (NH3) je bezbojan gas oštrog mirisa. Veće količine amonijaka štetno djeluju na zdravlje. Hemijski je stabilan do temperatura 150–200 °C. Zapaljiv je i ako ga ima u vazduhu u većim količinama (16–26%) može da eksplodira. Pritisci su, pri normalnim uslovima rada, povoljni i kreću se od 3 do 12 bara. Danas se koristi u rijetkim slučajevima.

Ugljen-dioksid (CO2) je gas bez boje i mirisa. Nije otrovan ni zapaljiv. Ima visoke pritiske isparavanja i kondenzacije (20–75 bara) što uz nisku kritičnu temperaturu od 31 °C predstavlja glavne nedostatke. Zbog svoje neotrovnosti i nezapaljivosti koristi se u prostorijama za klimatizaciju i u uređajima za hlađenje u prehrambenoj industriji. Danas se koristi u rijetkim slučajevima.



Sumpor-dioksid (SO2) je otrovan gas, bez boje, oštrog mirisa. Nije zapaljiv, sa vodom stvara sumpornu kiselinu, što stvara niz tehničkih problema. Isparivač i kondenzator su kod uređaja sa SO2 obično izrađeni od bakra.

Metilhlorid (CH3Cl) se uprkos odličnim termodinamičkim osobinama i jednostavnoj i jeftinoj proizvodnji rijetko upotrebljava, prvenstveno zbog svoje velike toksičnosti i zapaljivosti pri većim količinama.

Freoni su rashladni fluidi dobijeni hlorisanjem ili fluorisanjem uglavnom zasićenih ugljovnodonika. Osnovne sirovine za proizvodnju freona su: metan, etan, propan i butan. Postoje različite vrste freona – R12, R134, R22, R407, R404, R410.

Izobutan (CH4H10) – njegova oznaka je R600. Koristi se u uređajima nove generacije zbog male količine, niske cijene i ekološki je prihvatljiv. Međutim, u većim količinama, i izobutan je zapaljiv.

Izvor: wiki



Zvanično je. Hlađenje do apsolutne nule je matematički nemoguće

UKRATKO
Znanstvenici su dokazali treći zakon termodinamike.
Dokazivanje ovog zakona pomoći će mnogim područjima znanosti, uključujući kvantnom računanju.

Zakoni termodinamike, kamen temeljac moderne fizike, pomažu objasniti kako fizičke veličine djeluju pod određenim uvjetima i u određenim okolnostima. Ovi su zakoni uglavnom bili neupitni, osim trećeg zakona. Razvio ga je kemičar Walther Nernst između 1906-12. Znanstvenici su dugo ispitivali valjanost ovog zakona, koji kaže:

Entropija bilo koje čiste supstance u termodinamičkoj ravnoteži približava se nuli kada se temperatura približava nuli (Kelvin), ili obrnuto, temperatura (Kelvin) bilo koje čiste supstance u termodinamičkoj ravnoteži približava se nuli kada se entropija približi nuli.

Slika: Entropija supstance na apsolutnoj nuli je nula.

U nedavnom razvoju, istraživači sa Sveučilišta u Londonu (UCL) objavili su rad koji dokazuje da se apsolutna nula ne može postići (u konačnom broju koraka) u sustavu u kojem entropija ne može doseći nulu. Prema jednom članu istraživačkog tima, Lluis Masanes, “Pokazujemo da ne možete zapravo ohladiti sustav do apsolutne nule s konačnim iznosom resursa i krenuli smo korak dalje … Zaključujemo da je nemoguće ohladiti sustav do apsolutne nule u konačnom vremenu, te uspostavili smo odnos između vremena i najniže moguće temperature. To je brzina hlađenja. ”

COOL IMPLIKACIJE

Ovi i drugi znanstvenici se nadaju da će ovo istraživanje učiniti ljudima ozbiljnije shvaćanje trećeg zakona termodinamike. Također se nadaju i vjeruju da bi taj napredak mogao imati ozbiljno nevjerojatne posljedice. Razumijevanje hlađenja i brzine kojom možemo stvarno ohladiti mogu pomoći u daljnjem istraživanju kvantnog računalstva.

Kvantna računanja napredovala su neizmjerno posljednjih mjeseci i godina. Neki, poput IBM-a, čak imaju cilj postati komercijalno kvantno računalo (nešto što su mnogi vidjeli više kao sci-fi nego kao stvarnost). Razumijevanje trećeg zakona termodinamike i hlađenje može pomoći unaprijediti ovo kvantno istraživanje čak i dalje, budući da je pregrijavanje glavna briga u takvom računalu visoke razine.

Izvori:

1. www.futurism.com

2. www.nature.com/ncomms/

Koja je najveća temperatura u prirodi, gdje se ona nalazi i kako se može postići?

Da bi odgovorili na ovo pitanje, prvo se moramo podsjetiti šta je to fizikalno temperatura.

Temperatura je u biti mjera kretanja čestica, odnosno što se brže čestice kreću, sve je veća temperatura.

Najniža temperatura bi bila temperatura na apsolutnoj nuli, na oko -273 stepena Celzijusa ili nula Kelvina, međutim i na njoj ne bi se desilo apsolutno mirovanje svih čestica, nego bi imali male kvantne fluktuacije. Najveća temperatura postoji u središtu Zemlje i drugih planeta i u središtu zvijezda gdje se pod velikim pritiskom uslijed gravitacijskog sažimanja javlja temperatura od nekoliko hiljada stepeni Celzijusa do nekoliko miliona. Velika temperatura se može postiči i vještački u ubrzivaćima čestica ili izazivanjem nuklearnih rekcija.

Detaljniji opis apsolutno vrućeg je: 

“Apsoluto vruće je koncept temperature koji postulira postojanje najviše moguće temperature materije. Koncept je populariziran u televizijskoj seriji Nova. U ovoj prezentaciji, pretpostavlja se da je apsolutno vruće najviša moguća temperatura.

Savremeni modeli fizičke kosmologije pretpostavljaju da je najveća moguća temperatura Planckova temperatura, koja ima vrijednost 142 triliona Kelvina (142 nonillion na kratkoj skali). Iznad oko 10 na 32 K, energija čestica postaje toliko velika da gravitacione sile između njih će postati jake kao ostale fundamentalne sile prema sadašnjim teorijama. Ne postoji ni jedna postojeća naučna teorija za ponašanje materije na ovim energijama. Kvantne teorija gravitacije bi bilo potrebna. Modeli nastanka svemira zasnovani na teoriji Velikog praska pretpostavljaju da je Svemir prošao kroz ovu temperaturu oko 10 – 42 sekundi nakon Velikog praska, kao rezultat proširenja ogromne entropije.

Druga teorija apsolutne vrućine bazira se na temperaturi Hagedorn, gdje termička energija čestica prelazi masu-energiju od para čestica-antičestica hadrona. Umjesto da temperatura raste, na temperaturi Hagedorn teža čestice se proizvode kroz proizvodnju parova, sprečavajući na taj način efektivno dodatno grijanje, s obzirom da se samo hadroni proizvode. Međutim, dalje grijanje je moguće (pod pritiskom) ako tvar prolazi kroz promjenu faze u kvark-gluon plazmu. Prema tome, ta temperatura više liči na usijanje, a ne nepremostivu prepreku. Za hadrone, temperatura Hagedorn je 2 × 10 na 12 K, koja je dostignuta i premašena u LHC i RHIC eksperimentima. Međutim, u teoriji struna, posebna temperatura Hagedorn se može definirati, gdje strune slično pružaju dodatne stupnjeve slobode. Međutim, to je tako visoka temperatura (10 na 30 K) da trenutno ne postoji eksperiment koji bi to potvrdio niti je izgledno da će uskoro postojati.

Kvantna fizika formalno pretpostavlja beskonačnu pozitivnu ili negativnu temperaturu  u opisima spin sistema koji prolaze kroz inverziju iz osnovnog stanja u više energetsko stanje pobuđivanjem sa elektromagnetskim zračenjem. Funkcija temperature u ovim sistemima pokazuje singularitet, što znači da temperatura ima tendenciju da dostigne pozitivnu beskonačnost, prije nego diskontinuirano pređe na negativnu beskonačnu vrijednost. Međutim, ovo se odnosi samo na određene stupnjeve slobode u sistemu, dok bi drugi imali normalne temperaturne ovisnosti. Ako bi jednako dijeljenje bilo moguće, ovaj formalizam zanemaruje činjenicu da će spin sistem biti uništen od strane raspadanja obične materije prije nego beskonačna temperatura može biti ravnomjerno postignuta u uzorku.”, (1)

Reference

(1) https://en.wikipedia.org/wiki/Absolute_hot

Šta je to toplinski kapacitet tijela? Šta je specifični toplotni kapacitet?

Toplinski kapacitet

 
 

Toplinski kapacitet (znak C) je fizikalna veličina koja pokazuje koliko topline treba nekomu tijelu dovesti da mu se temperatura povisi za 1 K (1°C).
Definirana je, dakle, omjerom topline (Q) koju tijelo razmjenjuje s okolinom i promjene temperature (∆T) tijela: C=Q/∆T.
Mjerna jedinica je džul po kelvinu (J/K).
Za plinove se razlikuju specifični toplinski kapacitet kod stalnoga tlaka (cp) i kod stalnoga volumena (cV).
Omjer tih dvaju kapaciteta (X = cp/cV) važna je veličina u opisivanju kružnih procesa u termodinamici, npr. jednadžba je adijabate pVx = konstanta, gdje je p tlak, a V volumen idealnoga plina.
Toplinski kapacitet koji se odnosi na masu neke tvari naziva se specifični toplinski kapacitet.

Razlikujemo toplinske kapacitete pri stalnom tlaku (p) i pri stalnom volumenu (V):

Mjerna jedinica za toplinski kapacitet u sustavu SI je džul po kelvinu (J/K).

Molarni toplinski kapacitet – kapacitet po molu tvari:

Mjerna jedinica SI je džul po mol-kelvinu (J/molK).

Specifični toplinski kapacitet – kapacitet po jedinici mase:

Mjerna jedinica SI je džul po kilogram-kelvinu (J/kgK).

Molarni se toplinski kapaciteti elemenata na dovoljno visokoj temperaturi (~300 K) međusobno vrlo malo razlikuju i kreću se oko 26,12 J/molK .

Mayerova relacija daje vezu između cp,mol. i cV,mol. idealnog plina:

gdje je n množina tvari, a R je plinska konstanta, R=8,314 J/molK.

Različite okolnosti mogu utjecati na promjenu specifične topline tvari, tipično promjena agregatnog stanja. Također, promjene tlaka ili volumena tvari tijekom grijanja (što se posebno izraženo vidi kod plinova) utječu na mjerenje specifične topline, iako ne utječu nužno ili izraženo na sam iznos specifične topline. Na primjer, možemo promatrati vodu i iznos njene specifične topline u tri različite okolnosti:

  • pri temperaturi od 100 °C (para): 2,08 kJ/(kg·K)
  • pri temperaturi od 25 °C (tekućina): 4,1813 kJ/(kg·K)
  • pri temperaturi od -10 °C (led): 2,05 kJ/(kg·K)

Toplina koju je tvari potrebno dovesti da bi se promijenilo agregatno stanje se ne ubraja u specifičnu toplinu, budući da temperatura tijela za to vrijeme niti ne raste, već se naziva latentnom toplinom.

Izvori

  1. Hrvatska enciklopedija (LZMK); broj 10 (Sl-To), str. 811. Za izdavača: Leksikografski zavod Miroslav Krleža, Zagreb 2008.g. ISBN 978-953-6036-40-0

Glavni izvor: Tekst je u cjelosti kopiran sa Wikipedie!

Šta je to latentna toplina?

Latentna toplina

 
 
 

Prilikom vrenja vode potrebna je toplina isparivanja da bi se voda pretvorila u vodenu paru. Za cijelo vrijeme dok traje vrenje, temperatura se ne mijenja i ona je u normalnim uvjetima 100 °C.

 

Da bi se latentna toplina otklonila iz zraka tijekom postupka hlađenja potrebna je kondenzacija unutar same jedinice, kao kod sustava za klimatizaciju.

Latentna toplina je toplina koju neka masa tvari mora predati ili primiti iz okoline kako bi promijenila agregatno stanje (oznaka: L) po jedinici te mase (po kilogramu tvari). Jednakost koja vrijedi je:

gdje je: L – specifična latentna toplina po jedinici mase te tvari (J/kg), QL – toplina koju neka masa tvari mora predati ili primiti iz okoline kako bi promijenila agregatno stanje (J), m – masa tvari (kg). Mjerna je jedinica latentne topline džul po kilogramu (J/kg). Iz te jednakosti dobiva se iznos latentne topline:

Za svaku kemijsku tvar razlikuju se specifična latentna toplina isparavanja Li (specifična toplina koju neka masa tvari oslobađa prilikom kondenzacije ili koju upija prilikom isparavanja ili vrenja ili toplina isparivanja) i specifična latentna toplina taljenja Lt(specifična toplina koju neka masa tvari oslobađa prilikom skrutnjavanja ili koju upija prilikom taljenja ili toplina taljenja).

Joseph Black je škotski fizičar i kemičar koji je uveo razlikovanje fizikalnih veličina topline i temperature, te uveo fizikalne veličine toplinski kapacitet i latentnu toplinu, pa se smatra osnivačem kalorimetrije. Blackovu spoznaju o većoj energiji vodene pare u odnosu na energiju jednake mase tekuće vode pri istoj temperaturi primijenio je James Watt pri razvoju svojega parnog stroja.

Osjetna ili senzibilna toplina

Kad zagrijavamo neki tijelo i kako mu dodajemo toplinu njegova temperatura raste. Povećanje te topline naziva se osjetna ili senzibilna toplina. Slično tome, kad tijelu oduzimamo toplinu i njegova temperatura pada, oduzeta toplina također se naziva osjetna toplina. Znači da toplina koja uzrokuje promjenu temperature kod nekog tijela naziva se osjetna toplina. Osjetna toplina se može izračunati prema jednakosti:

gdje je: QS – osjetna ili senzibilna toplina (J), m – masa tijela (kg), c – specifični toplinski kapacitet (J/kgK) i ΔT – promjena temperature (K ili °C).

Latentna toplina za razliku od osjetne temperature ne uzrokuje promjenu temperature kemijske tvari, na primjer voda kod vrenja ima stalnu temperaturu od 100 °C. Dakle toplina koja uzrokuje promjenu stanja, bez promjene temperature naziva se latentna toplina. Shvaćanje ove razlike, bitno je za shvaćanje upotrebe rashladne tvari u sustavima za hlađenje. Također objašnjava zašto se za određenje učina hlađenja sustava koriste pojmovi poput totalni učin (osjetna  i latentna toplina) i “osjetni ili senzibilni učin”‘. Da bi se latentna toplina otklonila iz zraka tijekom postupka hlađenja potrebna je kondenzacija unutar same jedinice (na primjer kod klimatizacije). Osjetni učin je potreban za smanjenje temperature, dak je latentni učin potreban za otklanjanje vlage iz zraka

Vrijednosti specifične latentne topline

Slijedeća tablica prikazuje specifične latent topline za neke tvari:

Kemijska tvar Specifična latentna
toplina taljenja
Lt (kJ/kg)
Talište
°C
Specifična latentna
toplina isparivanja
Li (kJ/kg)
Vrelište
°C
Etanol 108 −114 855 78.3
Amonijak 332.17 −77.74 1 369 −33.34
Ugljikov dioksid 184 −78 574 −57
Helij     21 −268.93
Vodik(H2) 58 −259 455 −253
Olovo 23.0 327.5 871 1 750
Dušik 25.7 −210 200 −196
Kisik 13.9 −219 213 −183
Freon R134a   −101 215.9 −26.6
Freon R152a   −116 326.5 -25
Toluen 72.1 −93 351 110.6
Terpentin     293  
Voda 334 0 2 260 100
Srebro 105 980 2 336 2 050
Živa 11.4 – 39 290 357

Izvori

  1. latentna toplina, “Hrvatska enciklopedija”, Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
  2. Black, Joseph, “Hrvatska enciklopedija”, Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
  3. Koja je razlika između senzibilne i latentne topline?,  www.daikin.hr, 2014.
  4. Yaws’ Handbook of Properties of the Chemical Elements 2011 Knovel

Glavni izvor: Takst je u cjelosti kopiran sa Wikipedie