Bazele Termotehnicii

transcript

TERMODINAMICA APLICATA LA MEDIU

Prof. univ. dr. ing.Alexandru CHISACOF

Universitatea POLITEHNICA BucurestiCatedra de Tarmotehnica, Masini Termice si

Frigorifice

Curs destinat studentilor Facultatii de ENERGETICA (II B , II C)

30 Mai 2006

OMAGIU lui SIMION MEHEDINTI savant complet si model de

moralitate academicaSIMION MEHEDINTI (1868 — 1962)

Prof. A. Chisacof 2005-2006, Curs BTT II

SUMAR BIOBLIOGRAFIC Simion Mehedinti (selecţiuni)

1868. Se naşte la Soveja, în fostul judeţ Putna. 1892. februarie 14. îşi ia examenul de licenţă cu teza: ” Ideile lui J.J.

Rouseau asupra educaţiei”. Obţine calificativul, magna cum laude1900. La Universitatea din Bucureşti ia fiinţa prima Catedră de

Geografie şi este încredinţată lui Simion Mehedinţi. La cursul inaugural participă şi Titu Maiorescu.

1901. La rugămintea lui Spiru Haret, începe elaborarea unei serii de manuale şco1are de geografie.

1907. La insistentele lui Titu Maiorescu, preia direcçia Convorbirilor literare, până în anul 1924.

1913. Apare lucrarea Poporul (cuvinte c studenti) ed. a II-a 1921, ed. a III-a 1939.

1915. Este ales membru titular al Academiei Române, membru corespondent era din 1908.

1918. (martie-octombrie). Este ministru al instrucţiunui publice în guvernui Marghiloman, ocazie cu care emite Legea eforiilor şcolare şi Legea şcolilor pregătitoare.

1927. Apare Scoala românâ şi capitalul biologie al poporului român.

1928. Apare Ce poate face un educator?1930 – 1932 Apare TERRA lucrare monumentală de peste 1000

pagini. Se stinge din viat la 14 decembrie. Este înmormântat1940. Publică Trilogii: Stiinţa- Scoala - Viaţa, cu aplicare la poporul

român.1941. Analele Academiei Rornâne i publicà: Academia, instituţie

etnopedagogică. Metoda şi metodica1946. Tipăreşte memoriile sub titlul: Premise şi concluzi la Terra.1948—1962. Suportă cenzura totalitaristă, fiind marginalizat.

Este exclus abuziv din Academie sub acuzaţia de « determinism geografic ». Refuză orice compromis cu noul tip de putere politică.

Ademenit cu promisiunea de a fi rechemat la Academie dacă aderă la noul regim, a răspuns sec :

“Pe mine nu are cine să mă dea afară din Academie!”“Eu aştept aici, şi voi aştepta şi dincolo– peste pragul cel

mare.”

1962. Se stinge din viaţa fiind îmormântat la Cimitirul Belu.

1991. Ia fiinţă la Focşani Asociatia Personalului Didactic “Simion Mehedinti” care a iniţiat un ambiţios program de retipârire şi valorificare a operei savantului.

1993. Cu ocazia a 125 de ani de la naştere, se împlineşte testamentul savantului, fiind reînhumat la Soveja, alături de strămoşii săi.

Extrase din Terra

• “ Atmosfera este filtrul prin care primim razele solare, izvorul întregului dinamism planetar.”

• “ Ar fi destul chiar numai proporţia de CO2 din compoziţia aerului să se schimbe, pentru ca tot aspectul planetei să se modifice. Si dacă fenomenele din celelalte învelişuri atârnă de felul cum se filtrează energia solară prin atmosferă, urmează de la sine că nici-un înveliş subordonat nu poate fi înţeles, dacă nu ţinem seama de prima verigă de care atârnă tot lanţul fenomenelor telurice.

• Astfel hidrosfera nici static, nici dinamic, nu poate fi concepută fără atmosferă. Dacă ar pieri atmosfera, ar pieri îndată şi învelişul apelor. ” (Premise şi Concluzii la Terra, S. Mehedinţi, p. 141)

• « Tempertura – Cea dintâi calitate, de care trebuie să se ţină seama este temperatura, fiincă orice fenomen geografic este în ultimă analiză o maniferstare a energiei solare. Tot ce s-a petrecut şi se petrece încă pe pământ este în funcţie de capitalul caloric iniţial (căldura internă), apoi de căldura împrumutată zilnic de la soare (insolaţia)……

Toată istoria planetei e legată deci din punct de vedere fizic, chimic şi biologic de aceste fapte fundamentale :

călduta internă şi cea solară.

De aceea, îndată după determinarea formei, dimensiunii şi poziţiei unui fenomen teluric, trebuie să-l raportăm şi la o anume treaptă pe scara temperaturii. Cea dintâi categorie calitativă e deci temperatura. »

Simion Mehedinti

• «Stiinţa este o vedere luminoasă asupra Universului (un corp de cunoştinţe organic sistematizare).

• Omul de ştiinţa e un muncitor pentru aflarea adevărului.

• Oamenii de ştiinţă se împart în trei categorii :1. Cercetătorii – cei cari caută şi găsesc faptă nouă ;2. Erudiţii – cei care adună multe cunoştinţe aflate de ei

sau de alţii ;3. Savanţii – cugetători cari ajung la idei nouă, pentru a

verifica şi sistematiza cunoştinţele adunate până la epoca lor, înlesnind astfel progresul ştiinţei în latura ei cea mai vitală. » (idem p. 247).

• Mediu – ansamblu de elemente care înconjoară un sistem, sau o individualitate, şi care contribuie direct la asigurarea, dacă este posibil, a nevoilor sale.

• Factorii determinanţi ai mediului sunt de ordin :– Fizic

– natura terenului geografic (calitate apă, aer, umiditate, emisii)

– intensitate luminoasă (radiaţii infraroşii, termice, ultraviolete, bacterii, factori de creştere)

– temperatura şi presiunea

• biologic• surse de hrană• germeni microbieni

• socio-psihologici• conflicte locale sau colective• condiţii socio-profesionale (specificitatea muncii,

confort locativ, distracţii)

• Ecologia studiază relaţiile între fiinţe cu mediul lor în complexitatea lui.

Agenţii de mediu : gaze de esapament, gaze arse, uzine şi locuinţe, produse chimice, radioactivitate, deşeuri industriale, germeni infecţioşi,

• sunt susceptibili de a provoca boli- factori de risc de mediu

• Climatologia este la baza climato-terapiei, adică folosirea în scop terapeutic a proprietăţilor diferitelor climate. Astfel :– variaţiile termice şi de presiune (vânturile)– altitudinea– umiditatea– radiaţiile solare (400 nm < < 700 nm)– particulele solide şi concentraţiile anumitor componenţi gazoşi

pot avea efecte nefaste sau benefice asupra organismelor.

• Poluarea ATMOSFEREI– Factori fizico-chimici datorita evacuarilor de

fluide cu potential termic si chimic• Modificarea compozitiei, microclimat• Efect de sera• Modificarea florei si faunei (microbiene)• Aparitia perturbatiilor de scurta durata• Poluare electromagnetica

- Factori sociali – economici- Influenta zonelor industriale- Somaj – violente sociale – educatie medie

• Temperatura şi presiunea variază cu altitudinea în limita a 11 km ai troposferei conform relaţiei:

• marimea RM T/(M g) este aproximativ constantă în primii 8 km ai troposferei (p 6 km= 0,5 po)

)Mg/(TR/zexppp Moz

Dependenta presiune - altitudine ( caz ideal)

Gaz simbol Compozitievolumica (%)

observaţii

Componenti principali

Azot N2 78,084

Oxigen O2 20,946

Argon Ar 0,934

Bioxid de carbon CO2 0,032 variabil cu poluarea

Componenţi secundari

Neon Ne 1,8 × 10-3 Gazul cel mai usor după hidrogen

Helium He 5,2 × 10-4

Metan CH4 2,0 × 10-4

Krypton Kr 1,1 × 10-4

Hidrogen H2 5,0 × 10-5 Gazul cel mai usor din aer

Xenon Xe 8,7 × 10-6 variabil cu poluarea

Ozon O3 vara 7 10-6

iarna 2 10-6

variabil cu poluarea

Oxizi de azot N2O, NO, NO2 cca 10-6 variabil cu poluarea

Amoniac NH3 sub 10-6 variabil cu poluarea

Bioxid de sulf SO2 sub 10-6 variabil cu poluarea

Oxide de carbon CO sub 10-6 variabil cu poluarea

Radon Rn sub 10-6 variabil cu poluarea

ATMOSFERA (compozitie)

Temperatura şi presiunea din aer funcţie de altitudine

Presiune Altitudine [m]

Temperatura [°C]

mm Hg hPa

0 15,0 760 1 013

1 000 8,5 674 899

2 000 2,0 596 795

5 000 - 17,5 403 537

10 000 - 50,0 198 264

11 000 - 56,5 170 226

15 000 - 56,5 90 120

20 000 - 56,5 41 55

30 000 - 46,5 8 11

40 000 - 22,1 2 2,8

COMPOZITIA ATMOSFEREI CU ALTITUDINEA

S. Mehedinti, Terra p. 524 Britannica 2005

Evolutia temperaturii si procese fizico-chimice în ozonul stratosferic

În stratosfera evolutia temperatrii pe baza modelului adiabatic este:

căldurile specifice sunt calculate la compziţia atmosferei de la înălţimea z.

Raportul caldurilor specifice

ck aus

x- umiditatea absoluta

Procese adiabate la aerul nesaturat :

Potenţialul de temperatură este definit prin (k=kz):

în condiţii uscate

auskausk

în condiţii umede

)x,(ausk

x,ausk

26012601

Înălţimea de condensare

viteza de descreştere adiabată este :

aus,pp

um 85311

MM aus

1607701

Temperatura virtuală - temperatura aerului uscat ce ar avea aceeaşi presiune şi volum specific cu al aerului umed

x,TTvirt 1

1607701

Masa molara a aerului umed

Procese pseudo-adiabatice

Proces la care se evacueaza faza condensata (lichid si gheata):

– În prima etapa vaporii condensati sunt în portiunea analizata

– În a doua etapa faza condendsata este evacuata, deci o reducere de entropie

dS=Q-/T< 0

Potentialul de temperatura echivalent

Temperatura echivalent pseudoadiabata

5423376

810128012850

x,xexpp

uskusk

epep p

21 22 23 24 25

Temperatura [°C]

dT/dz = - 9.8 K/km

296 297 298 299 300

Potential temperatura [K]

40 50 60 70 80 90

Umiditate relativa [%]

8 10 12 14 16 18

Umiditate absoluta [g/kg]

Evolutia temperaturii si umiditatii cu înaltimea

STRUCTURA ATMOSFEREI (I)

STRUCTURA ATMOSFEREI (II)

Variatia presiunii si temperaturii din atmosfera cu altitudinea

Efectul de Sera pe Terra

Spectrul radiatiilor(detaliu spectrul vizibil)

Caracteristici de radiatie(legea PlancK)

Bilantul Radiativ al Terrei

Fluxurile de caldura schimbate între Terra si Atmosfera

OZONUL• - gaz protector la raze ultraviolete• - concentratia este dată de unitatea Dobson (UD) care

reprezintă grosimea coloanei de gaz pur de 0,01mm la1 At şi 273 K .

O UD corespunde la 2,69 1016 molecule de ozone pe cm².

La 300 UD – echivalent 3 mm grosime gaz ozon pur concentratia este normala.

La 100 UD ozonul se considera « disparut »

Exemplu : valoarea medie a concentraţie de ozon în atmosferră pe altitudine este de 250 unităţi Dobson.

• În Antarctica concentraţia este de 100 unităţi Dobson – gaura de Ozon

Gaura de Ozon în Antarctica la 12 Octomrie 2004 (unităţi Dobson)

Reacţiile fotochimice care produc ozonul din atmosfera care conţine numai oxigen molecular (modelul Chapman): Iniţiere O2 + h v O + O

185 nm < < 220 nm

propagare

O + O2 + M O3 + M Hr = -106,6 kJ mol-1

O3 + h v O2 + O 210 nm < < 300 nm

O + O3 2 O2 Hr = -391,9 kJ mol-1

O + O + M 2 O + M

M moleculă neutră

• Descompunerea ozonului datorită atomilor de clor:

Clorul provine din fotolisa lui CF2Cl2 cu radiaţia ultravioletă

• Sau prin reacţia de mare viteză

CF2Cl2 + h v CF2Cl + Cl

O3 + h v O2 + O

Cl + O ClO

Cl + O3 ClO + O2 (k = 1,7 1010 L mol-1 s-1)

Un singur atom de clor neutralizează 100 000 molecule de ozon.

Clorul este îndepărtat din stratosferă în urma reacţiilor :

ClO + NO2 ClONO2

CH4 + Cl HCl + CH3

Schema reacţiilor posibile ale clorului

• DILATABILITATE !Conform raportului IPPC (Intergovernamental Panel of

Climate Change) – 2005, se apreciază o creştere a temperaturii medii globale a atmosferei la suprafaţa Terrei de la 1 – 3,5 K până în anul 2100. Valoarea de o probabilitate mai mare ar fi de 2 K.

Aplicaţie : Volumul oceanului planetar este de 1,37 109 km3, iar suprafaţa este de 361 106 km2.

Creşterea medie a nivelului oceanului planetar este : 1 K 0,8 m

2 K 1,6 m3,5 K 2,8 m

Evoluţii probabile a nivelului oceanului planetar (IPCC)

Evoluţia concentraţiilor de metan şi CO2, respectiv a temperaturii cu timpul

Proiectia evoluţiei temperaturii modele şi incertitudini

IMPACTUL EMISIILOR DE CO2

• Cresterea temperaturii globale a planetei

• Modificarea climatului zonal şi global, în special al regimului de precipitaţii

• Crestera nivelului oceanului planetar, topirea gheţarilor

• Creşterea acidităţii mărilor şi oceanelor

• Efecte negative asupra unor tipuri de culturi din fermele agricole

• Procedeele şi tehnologiile actuale de producţie de bunuri de consum şi energie constituie puternice surse de emanaţii de bioxid de carbon datorită utlizării

• combustibililor fosili pentru formele de energie utilizate în tehnologiile respective

• materiilor prime cu imporant conţinut de carbon• Stabilizarea concentraţiei de CO2 la cca 350 ppmv (sau

450, 550 ?)• Reducerea emisiilor de gaze ce produc efectul de seră• Reducerea consumului de combustibil cu conţinut ridicat

de carbon• Sporirea efeicientelor tehnologice şî a randamentelor

energetice în special• Decarbonizarea surselor de energie ?

• Foţaj radiativ – putere de încălzire globală (Potentiel de Réchauffement Global PRG, Global Warming Potential GWP) raportată la 1 kg de gaz CO2 :

dt)t(ra

dt)t(xaGWPPRG

TH-timpul la orizontar – absorbţia/emisia CO2 gaz de referinţa

ax– absorbţia/emisia gazului x

1900 1950 2000

Gaze cu efect de sera

Aerosoli de sulfati si biomasa

Reducerestrat Ozon

Fortaj

radiativ

[W/m2 ]

Evolutia fluxurilor radiative antropice din ultimul secol sunt dominate de gazele cu efect de sera, fiind compensate partial de alti factori

Influenta factorilor umani si naturali în timp asuprafluxului specific de radiatie (fortaj radiativ)

Nivel de încredere

foartecoborât

foarte coborât

coborâtmediumediuridicat

/m2 ] 3

Fortaj radiativ cumulat din 1750

foartecoborât

Timpul de rezidenţă in atmosferă (durată de viaţa)

u - viteza vântului ; x – distanţa de transport Cazul poluanţilor non-reactivi cu timp de rezidenţa lung, atmosferă stabila cazul poluanţilor non-reactivi în atmosferă tranzitorie, cu o variaţie de concetraţie de forma

cazul poluanţilor non-reactivi cu timp de rezidenţa lung, atmosferă stabila

cazul poluanţilor non-reactivi în atmosferă tranzitorie, cu o variaţie de concetraţie de forma

Gazul Durata de viata în atmosfera

Potential de încalzire

20 ani 100 ani 500 ani

CO2 ~ 100 1 1 1

CH4 12 62 32 7

N2O 114 275 296 156

CFC – 11 CCl3F 45 6 300 4 600 1 600

CFC – 12 CCl2F 100 10 200 10 600 5 200

Potentialul de încalzire echivalent al gazelor cu efect de sera

Evolutia probabila a concentratie gazelor cu effect de sera

Ponderea gazelor la producerea efectului de sera în Ununea Europeana în 1999 ( % de CO2 net) Sursa : CITEPA - NOXCONF)

SE VOR TOPI GHETARII?!

Ghetarii contin istoria evolutiilor climatice.

Evolutia concentratiei metanului în timpprin datele obtinute din nucleul ghetarilor

(sursa RTD Info Febr. 2006)

Monitorizarea unui sistem de energie solara

Sistem de monitorizare a unei cladiri cu sistem

mixt de energie

Robert Socolow - propuneri strategii

Strategii de reducere a gazelor cu efect de sera(Robert Socolow)

Energie din resurse regenerabile

şi combustibili

Eficienta energetica şi conservare

Schimbare de combustibili

Captarea şi stocarea CO2

Fisiunea nucleara

Păduri şi soluri

Captarea si stocarea CO2

Injectia CO2 si cresterea FRP

Din cele 13 propuneri selectăm :– stocare CO2– energii noi eoliană, solara, fotovoltaică– energie nucleară– biocobustibili (culturi pe cca 250 milioane hectare

pt 2 miliarde autovehicule în 2050)– hidrogenul din combustibili fosili– stoparea tăierii pădurilor tropicale– obtinerea de metanol din carbune via syngas– în toate filierele sus prezentate mediul are o

contribuţie decisivă la obţinerea de energie cu eficienţă ridicată.

– stabilizarea parametrilor de mediu are un cost ridicat fiind efectul cumulat al emisiilor cumulate în ultima sută de ani.

Evolutia dimensiunii de referinta

cu timpul

2000 1950 1800

10 E-9 10 E-6 10 E-3 10 E-2 2 10 E-2

Ciclul de viata si fluxurile de materii prime si energii

Déchets et émissions

Sources de matières premières pour produits et énergies

Acquisition de matières premières

Conversion par fabrication

Distribution

Utilisation en étapes diverses

Dépôts, recyclage

Stratégie et planning

Recherche et développement

Design produits /processus

Déchets et émissions

Sources de matières premières pour produits et énergies

Désassemblage

Redressement, restauration

Energies

p r é-op é r a t i o

opérat i on

p o s t-op é r a t i o nn

Cycle de vie

Energie primară[MJ/unitate produs]

[kg/unitate produs]

Consumul enegetic raportat la utilizator1 kWh energie electrica (UE)1 kWh energie electrica (CH)1 kg de păcură (42,5 MJ)1 l de benzină1 m3 de apă

13,78,750437 - 20

0,50,023,6/0,63,3/3,9/0,5

Transport1000 km kg prin camion (CH)1000 km kg cu avion1 persoana km tren1 persoana km automobil/avion

5,1170,53,2

0,310,030,25

Materiale1 kg aluminiu1 kg aluminiu reciclat1 kg cupru1 kg oţel1 kg plastice1 kg hârtie1 kg sticlă1 kg beton1 kg PC unitate centrală

18418,510631 – 10080 – 11020141210

100,95,21,6 – 5,32,3 – 3,50,410,1

Necesarul de energie primară şi cantitatea de emisii de CO2 pentru diferite produse şi sisteme de transport Tabel 1

Emisiile de substante aferente diferitelor materialeTabel 2

Material Oţel1 kg

Aluminiu 1 kg

Aluminiu reciclat1 kg

Benzină1 l

Energie electrică

Păcură1 kg

Energie [MJ/unitate] 31,3 184 18,5 42,5 42,8 50

Emisii în atmosferă[kg/unitate]CO2

0,0025

7,5 10-6

0,0198

3,3 10-6

0,0016

1,7 10-7

3,9/0,6

0,0033

0,0044

3,5 10-6

0,02 3,6/0,6

Emisii în apă[kg/unitate]

Pb3,1 10-5 2,4 10-5 1,1 10-6

CONCLUZII!

• Traim o perioada cu schimbari climatice brutale ca efect al actiunii cumulate în timp a omului.

• Fenomenele din mediu au consecinte directe asupra vietii noastre– Reducerea biodiversitatii– Desertificarea regiunilor de potential agricol ridicat– Poluarea complexa cu efluenti – Microorganisme si maladi noi

Poate fi considerat mediul o resursa regenerabila?Reactiile care se tin lant nu fac decât sa

înrautateasca situatia

EDUCATIA SI CERCETAREA trebuie sa stimuleze masuri care sa conduca la constientizarea comportamentului oamenilor fata de mediu

Astazi platim « factura » erei industriale- CO2 are o durata de viata de cca 100 ani- Deseurile radioactive necesita sute de ani

pentru a deveni inofensive

- distrugerea padurilor pare a avea consecinte incalculabile, greu de evaluat.

Activitatea omului este din ce în ce mai « costisitoare pentru mediu » datorita satisfacerii unor dorinte-necesitati dinamice (confort, alimentatie, divertisment)

Protectia mediului se situeaza dupa necesitati si divertisment! (efecte negative majore)

• Dezechilibrul economic si EDUCATIONAL duce la deteriorarea mediului.

• Putem oare mobiliza atentia oamenilor numai în urma catastrofelor!?

• Cresterea economica este producatoare de poluare (>90% efect sera). Cerc vicios!

• Tehnologii performante si curate pentru stabilizarea mediului se impun urgent.

Ingeniozitatea stiintifica si educatia consumatorului

Fata de aceasta provocare

– temporala

– Spatiala

este omul actual la înaltime?

« Doamne fereşte de cărturarii care cred că se pricep la toate »

« O ţară care nu are o politică internă corectă, nu poate avea în politica externă nici consecvenţă, nici prestigiu »

« În Trilogia ştiinţei să arătăm cât vom putea mai limpede şi treptele activităţii ştiinţifice, deoarece ştiinţa – împreună cu etica şi arta – formează însuşi cuprinsul noţiunii experimate de etnograf prin cuvântul cultură. »

Simion MEHEDINTI

VA MULTUMESC!

SUCCES ÎN MEDIU!

Bazele Termotehnicii

Documents