Καύσιμα

Ισοδύναμο καυσίμου FUELEnergy Density (MJ/Kg)100 W per 1 Kg Fuel Wood101.2 days Coal days Petroleum (crude) days Diesel days Natural Uranium6.3E572,000 days Αν όλο το ενεργειακό περιεχόμενο 1 Κγ καυσίμου παραγόταν από διαφορετικά καύσιμα

Εισαγωγή ■ ■ Βασικές έννοιες Θερμοδυναμικής ■ ■ Σύστημα ■ ■ Κατάσταση ■ ■ Διεργασία ■ ■ Κύκλος ■ ■ Εννοιες Θερμοκρασίας και Κλίμακες Θερμοκρασίας, Πίεσης

Θερμοδυναμική ■ ■ Θεμελιωμένη στις έννοιες της Ενέργειας και Εντροπίας ■ ■ Ενέργεια, έργο, θερμότητα ■ ■ Πειραματική επιστήμη ■ ■ Νόμοι

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Η θερμοδυναμική κατάσταση ενός συστήματος καθορίζεται συναρτήσει των καταστατικών μεγεθών του, που είναι:  Η Θερμοκρασία (Τ)  Ο Όγκος (V)  Η Πίεση (P)  Η σύσταση (N k ) Για τη περιγραφή της θερμοδυναμικής κατάστασης ενός συστήματος χρησιμοποιούνται συχνά και οι καταστατικές ιδιότητες του συστήματος που δεν είναι τίποτε άλλο παρά συναρτήσεις των καταστατικών μεγεθών του συστήματος. Οι σπουδαιότερες καταστατικές ιδιότητες ενός θερμοδυναμικού συστήματος είναι:  Εσωτερική Ενέργεια (U) – Internal Energy U = f(T, V, N k )  Ενθαλπία (Η) – Enthalpy H = f(T, V, N k )  Εντροπία (S) – Entropy S = f(T, V, N k )  Ελεύθερη Ενέργεια (G) – Gibbs Free Energy G = f(T, V, N k )

ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ (U) Εσωτερική ενέργεια ονομάζεται το άθροισμα της ενέργειας όλων των ατόμων, μορίων, ιόντων και πυρήνων ενός συστήματος Περιλαμβάνει πάντα τους παρακάτω ενεργειακούς όρους:  Κινητική ενέργεια εξαιτίας της άτακτης κίνησης των μορίων (Translational Energy)  Ενέργεια λόγω της περιστροφικής κίνησης των μορίων (Rotational Energy)  Ενέργεια δόνησης των ατόμων στο μόριο (Vibrational Energy)  Δυναμική ενέργεια λόγω των ελκτικών ή απωστικών δυνάμεων ανάμεσα στα άτομα, μόρια, ιόντα ή πυρήνες του συστήματος (Potential Energy) 1ος Νόμος Θερμοδυναμικής “Η ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ ΕΙΝΑΙ ΣΤΑΘΕΡΗ”

ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ (U) Διατύπωση 1ου Νόμου σε κλειστό σύστημα dU = dQ + dW  dU είναι η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος  dQ είναι το ποσό θερμότητας που εναλλάσσεται ανάμεσα στο σύστημα και το περιβάλλον του  dW είναι το έργο που παράγεται (εκροή) ή καταναλώνεται (εισροή) από το σύστημα Σύστημα Περιβάλλον dQ>0 dW>0 dQ<0 dW<0 dU system = dQ + dW dU environment = -dQ -dW dU system + dU environment = 0  d(U system + U environment )=0  U system + U environment = Ct

Η αύξηση της εσωτερικής ενέργειας ενός χημικού συστήματος μπορεί να προκαλέσει τα παρακάτω αποτελέσματα  Αύξηση της θερμοκρασίας του συστήματος  Αλλαγή στη φυσική κατάσταση ενός συστατικού του συστήματος ή αλλαγή στη κρυσταλλική δομή του  Διεξαγωγή μιας αντίδρασης διότι μπορεί να προκαλέσει το σπάσιμο των δεσμών του συστήματος και τη δημιουργία νέων δεσμών σε αυτό Εάν και η αύξηση της εσωτερικής ενέργειας προκαλεί συχνά μια αντίδραση το τελικό αποτέλεσμα των αντιδράσεων είναι συνήθως η μείωση της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ (U) dQ>0 dW>0 Συρίκνωση όγκου Εξάτμιση νερού dQ>0 Τήξη Πάγου dQ>0 AlOOH(boehmite)  AlOOH(diaspore) Πολυμορφισμός

ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ (U) Διατύπωση 1ου θερμοδυναμικού νόμου σε ανοικτό σύστημα dU = dQ + dW + dU matter  dU είναι η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος  dQ είναι το ποσό θερμότητας που εναλλάσσεται ανάμεσα στο σύστημα και το περιβάλλον του  dW είναι το έργο που εκρέει ή εισρέει στο σύστημα  dU matter είναι η μεταβολή εσωτερικής ενέργειας λόγω της ροής ύλης Με τον όρο έργο χαρακτηρίζουμε: Το μηχανικό έργο που οφείλεται σε μεταβολές του όγκου του συστήματος που στα χημικά συστήματα σχετίζονται πάντα με τη μεταβολή στη πίεση του συστήματος dW μηχ = - P.dV P = Πίεση στο μετακινούμενο όριο του συστήματος dV=Μεταβολή όγκου Όταν dV>0 (αύξηση όγκου)  dW μηχ 0 (αύξηση όγκου)  dW μηχ <0 (εκροή έργου) Όταν dV 0 (εισροή έργου) Το ηλεκτροχημικό έργο που οφείλεται στο ηλεκτροστατικό πεδίο δυνάμεων dW ηλεκτρ = Φ.dq Φ = Διαφορά δυναμικού dq = ποσότητα φορτίου που μεταφέρεται

ΕΝΘΑΛΠΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ (H) Ενθαλπία ενός συστήματος ονομάζεται η ολική ενέργεια του συστήματος όταν αυτό βρίσκεται υπό σταθερή πίεση Η = U + PV Εφαρμόζοντας τον 1ο Θερμοδυναμικό Νόμο για κλειστό σύστημα και P σταθερή, dU = dQ + dW = dQ – PdV  dQ P = dU + PdV = d(U+PV)  dH = dQ P Επομένως, σε ένα σύστημα η μεταβολή της ενθαλπίας κατά τη διάρκεια ενός μετασχηματισμού αντιπροσωπεύει το ποσό θερμότητας που ανταλλάσσεται με το περιβάλλον υπό σταθερή πίεση Ενέργεια Αντιδρώντ α Προϊόντα ΔΗ<0 Εξώθερμη αντίδραση Αντιδρώντ α Προϊόντα ΔΗ>0 Ενδόθερμη αντίδραση Ενέργεια Α + Β  Γ +Δ ΔΗ

ΕΝΤΡΟΠΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ (S) “Η ΕΝΕΡΓΕΙΑ όλων των ειδών στον υλικό μας κόσμο έχει τη τάση να ΔΙΑΣΚΟΡΠΙΖΕΤΑΙ (Dissipation or Dispersion) και όχι να ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΝΕΤΑΙ”  Διασκορπισμός ενέργειας σημαίνει ότι τα μόρια των υλικών σωμάτων τείνουν να αποκτήσουν ενέργεια που κατανέμεται σε ένα ευρύ φάσμα δυνατών ενεργειακών επιπέδων  Συγκέντρωση ενέργειας σημαίνει ότι τα μόρια των υλικών σωμάτων έχουν ενέργεια που κατανέμεται σε ένα πολύ στενό φάσμα ενεργειακών επιπέδων

ΕΝΤΡΟΠΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ (S) Πως μπορούμε να μετρήσουμε τον διασκορπισμό της ενέργειας σε ένα σύστημα; Εντροπία ονομάζεται η καταστατική ιδιότητα ενός συστήματος που μετρά το ποσό ενέργειας που διασκορπίζεται στο σύστημα κατά τη διάρκεια μιας διεργασίας που διεξάγεται σε αυτό Εισαγωγή Εντροπίας Διατύπωση 2ου θερμοδυναμικού νόμου “Η Εντροπία του σύμπαντος αυξάνει κατά τη διάρκεια κάθε αυθόρμητης διεργασίας” dS global = dS system + dS environment > 0 ΑΥΘΟΡΜΗΤΗ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ονομάζεται κάθε διεργασία που διεξάγεται από μόνη της Συνεπώς, κάθε αυθόρμητη διεργασία οδηγεί σε διασκορπισμό της ενέργειας του σύμπαντος πχ. Τήξη πάγου σε θερμό δοχείο, Ανάμιξη αερίων σε δοχείο κλπ Πολύ συχνά οι συνέπειες του διασκορπισμού της ενέργειας εκδηλώνονται σε μας με τη μορφή της αύξησης αταξίας. Όμως οι έννοιες διασκορπισμός ενέργειας και αταξία δεν πρέπει να διασυνδέονται άρρηκτα

Κλειστό Σύστημα (control mass) ■ ■ A closed system refers to a fixed quantity of matter. ■ ■ A closed system is used when a particular quantity of matter is under study. ■ ■ A closed system always contains the same matter. ■ ■ There can be no transfer of mass across its boundary. ■ ■ What do we call the system if even energy is not allowed to cross the boundary? ■ ■ The figure shows a gas in a piston-cylinder assembly. ■ ■ Let us consider the gas to be a closed system. ■ ■ The boundary lies just inside the piston and cylinder walls, as shown by the dashed lines on the figure. ■ ■ If the cylinder were placed over a flame, the gas would expand, raising the piston. ■ ■ The portion of the boundary between the gas and the piston moves with the piston. ■ ■ No mass would cross this or any other part of the boundary.

Ανοιχτό Σύστημα

Εξωτερικές και εσωτερικές ιδιότητες ■ ■ Intensive properties are those that are independent of the size of system, such as temperature, pressure, and density. ■ ■ Extensive properties are dependent on the size (or extent) of the system. Mass m, volume V, and total energy E are some examples of extensive properties. ■ ■ Criteria to differentiate extensive and intensive properties is illustrated in the Figure. ■ ■ Extensive properties per unit mass are called specific properties (i.e. specific volume).

Κατάσταση Συστήματος ■ ■ A state is defined as a condition of a substance that can be described by certain observable macroscopic properties. (T, P, , etc.) ■ ■ In above figure, the system does not undergo any change. All properties can be measured throughout the system. Hence the condition of the system is completely described. This condition is called state 1. ■ ■ Now remove some weights. If the value of even one property changes, then the state will change to different one (state 2). ■ ■ The word State refers to the condition of a system as it is described by its properties.

Ισοροπία ■ ■ Thermodynamics deals with equilibrium states. ■ ■ The word equilibrium implies a state of balance. ■ ■ Equilibrium state means that there are no unbalanced potentials (or driving forces) within the system. ■ ■ A system is said to be in thermodynamic equilibrium if it maintains thermal, mechanical, phase, and chemical equilibrium.

Θερμοδυναμική Ισοροπία ■ ■ Thermal equilibrium means that there is no temperature differential through the system.

Μηχανική Ισοροπία ■ ■ Mechanical equilibrium means that there is no change in pressure in the system.

Ισοροπία Φάσεως ■ ■ Phase equilibrium means that the mass of each phase reaches an equilibrium level and stays there.

Κατάσταση ■ ■ We mentioned earlier that a state is described uniquely by measuring a few of its properties. The remaining properties will assume certain values. The question here is how much is this “few”?. ■ ■ The answer depends on how simple or complex our system is. ■ ■ If we have a system where the gravitational, electrical, magnetic, motion and surface tension effects are absent, then this system is called a simple compressible system. ■ ■ According to what is called “state postulate”, the number of properties required to completely specify the state of such system is two independent, intensive properties.

Κατάσταση ■ ■ If, however, the gravitational effects are important in the simple compressible system, then the elevation z needs to be specified in addition to the two properties necessary to fix the state. ■ ■ The state postulate requires that the two properties are independent of each other. ■ ■ Two properties are considered to be independent if one property is varied while the other one is constant. ■ ■ Temperature and specific volume are good examples. ■ ■ You will see, however, in coming units that temperature and pressure are not always independent of each other. They become dependent during phase change processes.

Κύκλοι και Διεργασίες ■ ■ Any change from one equilibrium state to another is called a process. ■ ■ Process diagrams are very useful in visualizing the processes. ■ ■ The series of states through which a system passes during a process is called a path ■ ■ To describe a process completely initial and final states as well as the path it follows, and the interactions with the surrounding should be specified ■ ■ A process with identical end states is called a cycle ■ ■ Process diagrams plotted by employing thermodynamic properties as coordinates are very useful in visualizing the processes.

■ ■ Isothermal process means a process at constant T. ■ ■ Isobaric process means a process at constant pressure ■ ■ Isochoric process means a process at constant volume

Ημι-Ισοροπία ■ ■ During a quasi-static or quasi-equilibrium process, the system remains infinitesimally close to an equilibrium state at all times. ■ ■ A sufficiently slow process that allow the system to adjust itself internally so that properties in one part of the system do not change any faster than those at other parts. ■ ■ Compression is very slow and thus equilibrium is attained at any intermediate state. Therefore, the intermediate states can be determined and process path can be drawn. ■ ■ It is an idealized process but many process closely approximate it with negligible error. ■ ■ Quasi-Equilibrium, Work-Producing Devices Deliver the Most Work (it is the standard to which other processes can be compared)

Διεργασίες σε μή-Ισοροπία ■ Compression process is fast and thus equilibrium can not be attained. ■ Intermediate states can not be determined and the process path can not be defined. Instead we represent it as dashed line.

Μορφές Ενέργειας ■ ■ In absence of magnetic, electric, and surface tension effects, the total energy of a system consists of the kinetic, potential, and internal energies and is expressed as ■ ■ The macroscopic form of energy are those a system possesses as a whole with respect to some outside reference (i.e. kinetics and potential). ■ ■ The microscopic forms of energy are those related to the molecular structure of the system, independent of outside reference frames (i.e. internal). ■ ■ The change in the total energy  E of a stationary system (closed system) is identical to the change in its internal energy  U.

Μορφές Ενέργειας (συν.) The portion of the internal energy of a system associated with the kinetic energies of the molecules is called the sensible energy phase of a system is called the latent energy atomic bonds in a molecule is called chemical energy strong bonds within the nucleus of the atom itself is called nuclear energy Static energy (stored in a system) Dynamic energy: energy interactions at the system boundary (i.e. heat and work)

Θερμοκρασία ■ ■ The zeroth law of thermodynamics states that: If two bodies are in thermal equilibrium with the third body, they are also in thermal equilibrium with each other. ■ ■ The equality of temperature is the only requirement for thermal equilibrium.

Κλίμακες Θερμοκρασίας ■ ■ I n thermodynamics it is desirable to have a temperature scale that is independent of the properties of any substance. ■ ■ Note: it makes no difference to use K or C in formulas involving temperature difference. However, you should use Absolute temperature in formulas involving temperature only like the ideal gas low.

Μετρήσεις The seven fundamental dimensions and their units in SI (International System).

Μετρήσεις

Πίεση Pressure is defined as the force exerted by a fluid per unit area. Units in SI are Pa=N/m 2. The pressure unit Pascal is too small for pressure encountered in practice. Therefore, kPa and MPa are commonly used. Units in British are : psf = lbf/ft 2, psi = lbf/in 2 You have to convert from psi to psf ( 144 in 2 = 1 ft 2 )

Πίεση (συν.) Absolute pressure, is measured relative to absolute vacuum (i.e., absolute zero pressure.) Gauge pressure, is measured relative to atmospheric pressure

Πίεση (συν.) Variation of Pressure with Depth The pressure variation in a constant density fluid is given as P +  Z = constant Or P 1 +  Z 1 = P 2 +  Z 2 Z is the vertical coordinate ( positive upward).  is the specific weight of fluids, (N/m 3 ) For small to moderate distances, the variation of pressure with height is negligible for gases because of their low density.

Πίεση Pressure at a Point The pressure at a point in a fluid has the same magnitude in all direction.

Πίεση (συν.) Pressure Variation in horizontal planes Pressure is constant in horizontal planes provided the fluid does not change. ( this leads to Pascal’s principle.) Noting that P 1 = P 2, the area ratio A 2 /A 1 is called the ideal mechanical advantage. Using a hydraulic car jack with A 2 /A 1 = 10, a person can lift a 1000-kg car by applying a force just 100 kg (= 908 N).

Πιεσόμετρο A device based on P +  Z = constant is called a manometer (Right), and it is commonly used to measure small and moderate pressure differences. Specific gravity P 2 = P atm + h

Βαρόμετρο και Ατμοσφαιρική Πίεση The atmospheric pressure is measured by a device called a barometer; thus the atmospheric pressure is often referred to as the barometric pressure.

The standard atmospheric pressure is the pressure produced by a column of mercury 760 mm in height at 0 o C. The unit of mmHG is also called the torr in honor of Evangelista Torricelli (1608−1647). The atmospheric pressure at a location is simply the weight of the air above that location per surface area. P atm changes with elevation and weather conditions. The length or the cross-sectional area of the tube has no effect on the height of the fluid column of a barometer. Βαρόμετρο και Ατμοσφαιρική Πίεση

Εργασία Σε τελική μορφή επιστημονικής εργασίας

Research Papers A paper should focus on: Describing the results in sufficient details to establish their validity Identifying the novel aspects of the results, i.e., what new knowledge is reported and what makes it non-obvious; Identifying the significance of the results: what improvements and impact do they suggest.