Termodynamika

W oparciu o podstawy termodynamiki opisuje się złożone zjawiska naturalne zachodzące w przyrodzie ze szczególnym uwzględnieniem termodynamicznego opisu zjawisk atmosferycznych oraz procesy związane z przetwarzaniem energii wykorzystywane w technice lotniczej. Tematyka podstawowych ćwiczeń rachunkowych i zajęć laboratoryjnych pozwala przybliżyć, a nawet nieco rozszerzyć tematykę wykładów. Zajęcia ćwiczeniowe i laboratoryjne pozwalają na nabycie prawidłowych nawyków przy prowadzeniu obliczeń i zdobycie praktycznych umiejętności niezbędnych w czasie wykonywania pomiarów cieplnych.

Treści kształcenia

- Podstawy termodynamiki fenomenologicznej: Energia, formy energii, przekształcenia energii; Substancja, ilość substancji, liczba Avogadro; Zamknięty i otwarty system termodynamiczny; Stan termodynamiczny, znamiona termodynamiczne, ciśnienie, temperatura, stała Boltzmanna, funkcje stanu, równowaga, Zerowa Zasada Termodynamiki; Przemiana, zjawiska quasi-statyczne, proces, funkcje przemiany i obieg termodynamiczny.

- System substancji czystej: substancja czysta, faza; Oddziaływania molekuł, stany skupienia, analiza zjawiska izobarycznego, stan nasycenia, stopień suchości, punkt krytyczny, punkt potrójny, wykresy T-v, P-v, P-T, P-T-v; Opis stanu - para mokra, para przegrzana, gaz, gaz rzeczywisty – gaz doskonały; Równanie stanu, równanie Clapeyrona, prawo Awogadro, indywidualna i uniwersalna stała gazowa, współczynnik ściśliwości, równanie van der Waalsa, parametry zredukowane, prawo stanów odpowiednich, inne równania stanu.

- Zasada Zachowania Energii: Działania termiczne, ciepło, system adiabatyczny, wymiana ciepła, przewodzenie, konwekcja, promieniowanie, wewnętrzne źródła ciepła; Działania mechaniczne, praca mechaniczna, praca granicy systemu, niemechaniczne formy pracy; I Zasada Termodynamiki; Bilans energetyczny układu przepływowego, entalpia, praca techniczna.

- Energia cieplna i entalpia: Ciepło właściwe gazów - rzeczywistych, półdoskonałych i doskonałych; związek miedzy ciepłami właściwymi; ciepło molowe gazów wg teorii kinetycznej; Mieszaniny gazowe: prawo Daltona, Prawo Amagata, ciśnienie cząstkowe, udziały składników, właściwości zastępcze mieszaniny.

- Przemiany gazów: przemiana politropowa, politropa techniczna, charakterystyczne przemiany gazowe, ich wykresy w układzie P-v, stan termodynamiczny w przemianach, praca i ciepło przemian charakterystycznych; Obiegi: praca i ciepło obiegu, obiegi lewo i prawobrzeżne - właściwości i funkcje, silniki cieplne, pompy ciepła, sprawność i współczynnik wydajności obiegu.

- Procesy odwracalne i nieodwracalne, źródła nieodwracalności, praca w procesach odwracalnych i nieodwracalnych, odwracalny cykl Carnota, sprawność i współczynnik wydajności obiegów nieodwracalnych, jakość źródeł energii, termodynamiczna skala temperatury; II Zasada Termodynamiki: silniki cieplne – sformułowanie Kelvina-Plancka, pompy cieplne – sformułowanie Clausiusa, perpetuum mobile.

Entropia i jej właściwości: nierówność Clausiusa, definicja entropii, zmiana entropii systemu, bilans entropii - przenoszenie i generowanie entropii, układ T-s, zasada wzrostu entropii, fizyczny sens entropii, zastosowania pojęcia entropii; Układ T-s dla gazów doskonałych: entropia gazów doskonałych, przemiany charakterystyczne, przemiana izentropowa; Dyssypacja na wykresach P-v i T-s.

- Gazowe urządzenia energetyczne: obiegi porównawcze, techniczne znaczenie obiegu Carnota; Silniki: silniki tłokowe – obiegi: Otto–Beau de Rochas, Diesla, Seiligera–Sabathe, silniki przepływowe – obiegi: Braytona-Joule`a, Humphreya, regeneracja i podgrzewanie międzystopniowe – obiegi: Braytona-Joule`a, Ericsona, Stirlinga; Pompy cieplne - obieg Joule`a.

- Właściwości pary mokrej i przegrzanej: Energia cieplna i entalpia w procesie parowania, równanie Clausiusa-Clapeyrona; Stan i funkcje stanu pary mokrej, przemiany charakterystyczne pary mokrej i przegrzanej, wykres h-s, tablice pary nasyconej i przegrzanej.

- Gazy wilgotne; określenie stanu, wilgotność bezwzględna, wilgotność względna, zawartość wilgoci, punkt rosy, równanie stanu, entalpia powietrza wilgotnego; Wykres i-X - konstrukcja i zawartość; Przemiany izobaryczne: ogrzewanie lub chłodzenie, mieszanie dwu mas wilgotnego powietrza, nawilżanie, suszenie, granica chłodzenia i jej zastosowanie w praktyce.

- Termodynamika przepływów: równanie ciągłości; uogólnione równanie Bernoulliego, znamiona statyczne, dynamiczne i spiętrzenia, przepływ przez kanały o zmiennym przekroju. Dławienie gazu doskonałego i płynów rzeczywistych, zjawisko Joule'a-Thomsona

- Termodynamika spalania: substraty i produkty; Bilans substancji, zapotrzebowanie tlenu i powietrza, ilość spalin i skład spalin, punkt rosy spalin; Bilans energii: ciepło spalania, wartość opałowa, sprawność spalania, temperatura spalin, dysocjacja; Urządzenia spalające: rodzaje, bilans energetyczny.

- Statyka i termodynamika atmosfery: równanie statyki, atmosfera jednorodna – gradient autokonwekcji, atmosfera z rozkładem temperatury – równanie ciśnienia, rozkład gęstości – równowaga globalna atmosfery, energia atmosfery, kryterium równowagi pionowej, sprężanie i rozprężanie adiabatyczne - sucha i wilgotna adiabata, powietrze suche – gradient suchoadiabatyczny, powietrze wilgotne – gradient wilgotnoadiabatyczny, równowaga powietrza wilgotnego, diagramy termodynamiczne, profile aerologiczne, ruchy konwekcyjne w rzeczywistej atmosferze.

- Parowe urządzenia energetyczne: obieg Carnota w obszarze pary; Siłownia parowa, prawobieżny obieg Clausiusa-Rankine`a z przegrzaniem i bez, wpływ parametrów obiegu na pracę i sprawność obiegu, przegrzew wtórny i podgrzewanie regeneracyjne; Pompa cieplna, obieg Lindego, parametry obiegu, obieg nadkrytyczny, dobór czynnika roboczego i źródeł ciepła, efektywność pomp ciepła.

- Wymiana ciepła: Konwekcja wymuszona: mechanizm konwekcji wymuszonej, równanie Newtona, hydrauliczna warstwa przyścienna, przepływ laminarny i turbulentny, liczba Reynoldsa, termiczna warstwa przyścienna, liczba Prandtla, liczba Nusselta, równania kryterialne; Intensyfikacja wymiany ciepła; Konwekcja swobodna: mechanizm konwekcji swobodnej, liczba Grashofa i Rayleigha, konwekcja swobodna na powierzchni i w przestrzeniach zamkniętych; Przewodzenie: prawo Fouriera, przewodność cieplna, dyfuzyjność cieplna, wpływ budowy materiału, ustalone przewodzenie przez płaską płytę, przenikanie ciepła, opory cieplne, ściana wielowarstwowa; Wymienniki ciepła; Promieniowanie: mechanizm wymiany ciepła przez promieniowanie; ciało doskonale czarne, prawo Stefana-Bltzmanna, prawo Plancka; właściwości ciał, emisyjność, absorbcyjność, refleksyjność, przepuszczalność, wymiana ciepła przez promieniowanie.

- Oznaczenia, jednostki, I Zasada Termodynamiki, termiczne równanie stanu. Kaloryczne równanie stanu, średnie ciepło właściwe. Przemiany gazów doskonałych. Obliczanie pracy, ciepła, zmian energii wewnętrznej, entalpii i entropii. Mieszaniny gazowe. Obliczanie ciepła właściwego i wykładnika izentropy mieszaniny. Obiegi porównawcze silników gazowych. Przemiany powietrza wilgotnego. Podstawowe obliczenia związane ze spalaniem paliw oraz przepływami jednowymiarowymi.

- Wprowadzenie, BHP, niedokładność pomiaru.

- Pomiar ilości substancji – masa, objętość i objętość właściwa.

- Pomiar ciśnienia – sprawdzanie manometrów, cechowanie mikromanometrów.

- Pomiar temperatury – przyrządy do pomiaru temperatury, cechowanie termometrów, wyznaczanie dynamicznej charakterystyki czujników.

- Wyznaczanie wykładnika adiabaty.

- Indykowanie sprężarki tłokowej, analiza wykresów indykatorowych.

- Pomiar wilgotności powietrza.

Literatura wykorzystywana podczas zajęć wykładowych

Pudlik W. - Termodynamika - Skrypt Politechniki Gdańskiej w wersji elektronicznej, Gdańsk. - 2011

Çengel Y. A. - Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer - McGraw-Hill Companies Inc.. - 2006

Szargut J. - Termodynamika stosowana - PWN, Warszawa. - 2005

Wiśniewski S., Wiśniewski T. - Wymiana ciepła - Warszawa : Wydaw. WNT. - 2014

Madany A - Fizyka atmosfery : wybrane zagadnienia - Warszawa : Ofic.Wydaw.Politech.Warsz.. - 1996

Wiśniewski Stefan - Termodynamika techniczna - Warszawa : Wydaw.Nauk.PWN. - 2017

Podstawy dynamiki atmosfery - Lech Łobocki - Warszawa : Ofic.Wydaw.Politech.Warsz.. - 2018

Literatura wykorzystywana podczas zajęć ćwiczeniowych/laboratoryjnych/innych

F. Wolańczyk - Termodynamika. Przykłady i zadania - Ofi. Wyd. Pol. Rzesz.. - 2011

R. Smusz, J. Wilk, F. Wolańczyk - Termodynamika. Repetytorium - Ofic. Wyd. Pol. Rzesz.. - 2010

B. Bieniasz - red. - Termodynamika. Laboratorium - Ofic. Wydawn. Pol. Rzesz.. - 2011

Praca zbior. pod red. T.R. Fodemskiego - Pomiary cieplne. Cz. I - WNT. - 2000

Literatura do samodzielnego studiowania

J. Szargut, A. Guzik, H. Górniak - Programowany zbiór zadań z termodynamiki technicznej - Wyd. 2., PWN Warszawa. - 1986

Madejski J. - Termodynamika techniczna - Ofic. Wyd. P. Rz., Wyd. IV. - 2000

Charun H. - Podstawy Termodynamiki Technicznej. Wykłady dla nieenergetyków - Politechnika Koszalińska. - 2008

Çengel Y. A. - Heat and mass transfer : a practical approach - Boston : McGraw-Hill. - 2007

Literatura uzupełniająca

J. Gąsiorowski, E. Radwański, J. Zagórski, M. Zgorzelski - Zbiór zadań z teorii maszyn cieplnych - WNT Warszawa. - 1978

R. Fodemski - red. - Podstawowe pomiary cieplne - WNT Warszawa. - 2000

Szymański W., Wolańczyk F. - Termodynamika powietrza wilgotnego - Oficyna Wyd. Pol. Rzeszowskiej. - 2008

S. Ocheduszko - Termodynamika stosowana - WNT Warszawa. - 1974

Publikacje naukowe

U. Florek; P. Gil; R. Smusz; M. Szewczyk - Urządzenie do oczyszczania obiektów ruchomych, zwłaszcza do osuszania lub odladzania oraz sposób sterowania tym urządzeniem - . - 2021

R. Gałek; P. Gil; M. Szewczyk; F. Wolańczyk - Urządzenia energetyczne: laboratorium - OFICYNA WYDAWNICZA POLITECHNIKI RZESZOWSKIEJ. - 2020

U. Florek; P. Gil; R. Smusz; M. Szewczyk - Urządzenie do oczyszczania obiektów ruchomych, zwłaszcza do osuszania lub odladzania oraz sposób sterowania tym urządzeniem - . - 2019

M. Szewczyk - Analiza niepewności pomiarowej - OFICYNA WYDAWNICZA POLITECHNIKI RZESZOWSKIEJ. - 2018

M. Szewczyk - Wyznaczanie wilgotności powietrza - OFICYNA WYDAWNICZA POLITECHNIKI RZESZOWSKIEJ. - 2018

R. Gałek; P. Gil; M. Szewczyk; F. Wolańczyk - Efficiency of micro combined heat and power unit in real conditions - . - 2018

R. Gałek; P. Gil; P. Strzelczyk; M. Szewczyk - Measurement of solar radiation properties and thermal energy of the atmosphere in Rzeszow - . - 2018

K. de Groot; A. Kucaba-Piętal; J. Meyer; P. Rzucidło; R. Smusz; M. Szewczyk - In-flight investigations of the unsteady behaviour of the boundary layer with infrared thermography - . - 2017

P. Gil; K. Kiedrzyński; M. Szewczyk - Analiza właściwości gazu ziemnego w odniesieniu do procesu technologicznego w Borg Warner - . - 2017

J. Bakunowicz; F. Boden; K. de Groot; J. Meyer; R. Meyer; P. Rzucidło; R. Smusz; M. Szewczyk; M. Szumski - Flow and structure deformation research of a composite glider in flight conditions - CURRAN ASSOCIATES. - 2016

K. de Groot; G. Kopecki; A. Kucaba-Piętal; P. Rzucidło; R. Smusz; M. Szewczyk; M. Szumski - Data Acquisition System for PW-6u in Flight Boundary Layer Mapping - EMERALD GROUP PUBLISHING LIMITED. - 2016