Inženýrská termodynamika (FSI-KS1)

Akademický rok 2022/2023
Garant: doc. Ing. Ladislav Bébar, CSc.  
Garantující pracoviště: ÚPI všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
Kurz má za úkol seznámit studenty se základními termodynamickými zákonitostmi průběhu dějů v průmyslových zařízeních a naučit studenty provádět základní hmotnostní a energetické rozvahy těchto dějů.
Předmět studenty seznamuje s širokým spektrem látkových vlastností, které jsou důležité pro bilanční, hydraulické, tepelné a difuzní výpočty procesních zařízení. Získané znalosti umožní studentům pochopit vliv pracovních podmínek na průběh a výsledek dějů v technologických zařízeních.
Výstupy studia a kompetence:
Kurz má za úkol seznámit studenty se základními zákonitostmi při průběhu fyzikálně-chemických dějů a naučit provádět hmotnostní a energetické rozvahy těchto dějů. Získané znalosti a dovednosti mají zásadní důležitost pro praxi procesního inženýra.
Prerekvizity:
Základní znalosti matematiky (znalost integrování a derivování, řešení jednoduchých diferenciálních rovnic).
Základní znalosti termodynamiky (stavové chování ideálních plynů a kapalin, první a druhý zákon termodynamický, hlavní termodynamické veličiny).
Základní znalosti chemie (stechiometrické výpočty, koncentrační výpočty).
Obsah předmětu (anotace):
Předmět „Inženýrská termodynamika“ je jedním z teoretických základů procesního inženýrství. Absolvování předmětu umožňuje studentům získat základní znalosti potřebné pro řešení praktických úkolů spojených s prováděním materiálových a energetických bilancí fyzikálně-chemických dějů a navrhováním a strojně-technologických soustav ve zpracovatelském a energetickém průmyslu nebo technologií zpracování odpadů. Předmět v průběhu jednoho semestru seznamuje studenty s metodami a postupy používanými pro popis stavového chování plynů a kapalin, stanovení vlastností látek a jejich směsí potřebné pro veškeré inženýrské návrhy (hustota, viskozita, tepelná vodivost, difuzivita apod.) a určování termodynamických stavových veličin a jejich změn při různých dějích. Jsou analyzovány termodynamické faktory ovlivňující průběh dějů, jejich tepelné zabarvení a podmínky termodynamické rovnováhy. Důraz je kladen na zohlednění chování plynných a kapalných systémů za reálných podmínek.
Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí látky probrané na přednáškách.
Způsob a kritéria hodnocení:
Zápočet je udělován na základě pravidelné účasti na cvičeních a projevů studenta na cvičeních prokazujících, že již během výukového období získal základní znalosti z předmětu a úspěšného písemného závěrečného testu prokazujícího získané znalosti z předmětu.
K získání zápočtu je dále předkládána semestrální práce, jejíž téma je zadáno během výukového období. Hlavní úkoly semestrální práce jsou postupně probírány na cvičeních.
Zkouška je písemnou formou. Absolvent musí prokázat schopnost samostatného řešení zadaných úloh dotýkající se rozsahu výuky a dále prokázat teoretické znalosti z oblasti zaměření předmětu a odpřednášené látky. Celkové hodnocení zohledňuje rovněž výsledky zápočtových testů a úroveň zpracování semestrální práce.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Výuka probíhá formou přednášek prezentovaných v posluchárně s vhodným prezentačním prostředkem. Účast na přednáškách je doporučená. Doprovodný text v elektronické podobě mají studenti k dispozici. Cvičení probíhají v určené učebně a navazují na odpřednášenou látku. Účast na cvičeních je povinná a je kontrolována.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 2 hod. nepovinná                  
    Cvičení s počítačovou podporou  13 × 2 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška 1. Úvod do předmětu Inženýrské termodynamiky. Představení cílů předmětu, zaměření semestrálních prací. Plán přednášek, dostupné materiály a literatura. Paměťové techniky pro pamatování čísel a fyzikálních konstant. Opakování základních termodynamických zákonů a návaznost na další předměty.
2. Hlavní používané jednotky v praxi procesního inženýra. Vyjadřování koncentrací, přepočty fyzikálních veličin vyjádřených v různých jednotkách a soustavách (anglosaské a SI).
3. Stavové chování plynů a kapalin. Odchylky od ideálního chování plynů a kapalin. Fázové diagramy a stavové rovnice plynů.
4. Transportní vlastnosti plynných a kapalných látek a jejich směsí. Hustota tekutin.
5. Měrné teplo a entalpie. První věta termodynamická a její aplikace. Určení měrného tepla a entalpie individuálních látek a plynných směsí. Závislost měrné entalpie reálných plynů na teplotě a tlaku.
6. Reakční teplo, Hessův zákon, Kirchhoffův zákon.
7. Spalné teplo a výhřevnost. Spalování plynných paliv a uhlovodíků .
8. Komprese a expanze plynů. Adiabatické děje, Poissonovy rovnice. Izoenthalpický děj a Joule-Thomsonův koeficient.
9. Další termodynamické funkce a vlastnosti (vnitřní energie, entropie, Gibbsova energie, Helmholzova funkce). Vliv teploty a tlaku na termodynamické vlastnosti reálných plynných a kapalných soustav. Druhá věta termodynamická.
10. Molární Gibbsova energie, fugacita.
11. Fázová rovnováha v jednosložkovém systému. Clausius-Clapeyronova rovnice a její aplikace pro určení výparného tepla a tlaku nasycených par.
12. Fázové rovnováhy kapalina-plyn. Ideální a reálné roztoky. Raoultův zákon, spojený Raoultův a Daltovův zákon a jejich využití. Henryho zákon a jeho aplikace.
13. Rekapitulace nejdůležitějších poznatků a vybraných kapitol.
    Cvičení s počítačovou podporou Cvičení z předmětu jsou prováděna formou řešení typových příkladů k probrané problematice. Část cvičení je věnována probráním konkrétních úkolů semestrálních prací, část cvičení je výpočtová.

Studenti pracují na počítačích nebo počítají ručně a samostatně řeší problémy z oblastí:
-Přepočty koncentrací, stavové chování id. plynů.
-Hmotnostní a energetická bilance ustálených a neustálených systémů.
-Komprese/expanze plynů a spotřeba/získání energie.
-Aplikace stavové rovnice plynů pro reálné plyny.
-Výpočet termodynamických vlastností (entalpie, měrné teplo, entropie, Gibbsova energie) reálných systémů.
-Výpočet fyzikálních vlastností reálných plynů a kapalin (hustota, viskozita, tepelná vodivost).
-Výpočty reakčních a spalných tepel, výhřevností
-Výpočet rovnovážného stupně konverze a rovnovážného složení.
-Výpočet fugacity a aktivity reálných plynných a kapalných systémů.
-Výpočet tlaku nasycených par a výparného tepla.
-Bilance spalování plynného paliva a složení vlhkého vzduchu.
-Fázové rovnováhy plyn-kapalina.
-Výpočet složení spalovacího vzduchu.
Literatura - základní:
1. Green, D., W., Perry, R., H., CHEMICAL ENGINEERS´ HANDBOOK, 8 th editon, 2007, Mc Graw-Hill International Editions, Chemical Engineering Series, , pp 2336, New York, ISBN 978-0-07-142294-9
2. Chopey, N., P., Handbook of chemical engineering calculation. third edition, 2004, McGraw-Hill International Editions, Chemical Engineering Series, 2004, New York, 640 s., ISBN 0-07-136262-2
3. Shavit A., Gutfinger Ch., Thermodynamics: From Concepts to Applications, 2nd edition, 2009, 649 p, CRC PRES Taylor & Francis Group, Boca Raton, ISBN:978-1-4200-7368-3
4. Sandler, S., I., Chemical, biochemical, and engineering thermodynamics, 4th edition, 2006, John Wiley & Sons, Hoboken, 945 p, ISBN 978-0-471-66174-0
5. Jürgen Gmehling, Bärbel Kolbe, Michael Kleiber and Jürgen Rarey,2012, Chemical Thermodynamics for Process Simulation, 760 p., Wiley/VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany, ISBN 978-3-27-31277-1
6. Riazi, M.R., Characterization and properties of petroleum fractions. ASTM International, 1st edition, West Conshohocken, PA (USA),.2005, ISBN 407-0-8031-3361-8
Literatura - doporučená:
1. Richard M. Felder, Ronald W. Rosseau: Elementary Principles of Chemical Processes, 2005, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken – NJ (USA), ISBN 0-471-68757-X
2. Míka, V. a kol.: Příklady a úlohy z chemického inženýrství I., VŠCHT Praha (1997).
3. Neužil, L., Míka, V.,: Řešení úloh z chemického inženýrství I a II, VŠCHT Praha (1997).
4. Míka, V. a kol.: Příklady a úlohy z chemického inženýrství II., VŠCHT Praha (1997).
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
CŽV prezenční studium CZV Základy strojního inženýrství -- zá,zk 6 Povinný 1 1 Z
N-PRI-P prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 6 Povinný 2 1 Z