Inženýrská termodynamika (FSI-KS1)

Akademický rok 2023/2024
Garant: doc. Ing. Vítězslav Máša, Ph.D.  
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 (on-line test Moodle). 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.

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.
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. Spalné teplo a výhřevnost. Spalování plynných paliv a uhlovodíků.

  7. Komprese a expanze plynů. Adiabatické děje, Poissonovy rovnice.

  8. Izoenthalpický děj a Joule-Thomsonův koeficient. Hustota plynů, kapalin a jejich směsí.

  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. Podmínky termodynamické rovnováhy dějů, chemický potenciál, 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  
N-PRI-P prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 6 Povinný 2 1 Z