Notesale: Turn your study into money

Document Preview

Extracts from the notes are below, to see the PDF you'll receive please use the links above

---

Basic Concepts of Thermodynamics 
Every science has its own unique vocabulary associated with it
...
 Careful study of these concepts is essential for a good understanding 
of topics in thermodynamics
...
 The analysis of thermal systems is achieved through the application of 
the  governing  conservation  equations,  namely  Conservation  of  Mass,  Conservation  of 
Energy  (1st  law  of  thermodynamics),  the  2nd  law  of  thermodynamics  and  the  property 
relations
...
  
First  law  of  thermodynamics:  one  of  the  most  fundamental  laws  of  nature  is  the 
conservation  of  energy  principle
...
 
Second  law  of  thermodynamics:  energy  has  quality  as  well  as  quantity,  and  actual 
processes occur in the direction of decreasing quality of energy
...
  Some  examples  include  heating  and  air‐conditioning  systems,  refrigerators, 
water heaters, etc
...
  The  arbitrary  magnitudes 
assigned to the dimensions are called units
...
 
Primary dimensions are: mass, m; length, L; time, t; temperature, T 
Secondary dimensions are the ones that can be derived from primary dimensions such as: 
velocity (m/s2), pressure (Pa = kg/m
...
 
There are two unit systems currently available SI (International System) and USCS (United 
States Customary System) or English system
...
  The  SI  units  are  based  on  decimal  relationship  between  units
...
 
Table 1: Standard prefixes in SI units
...
 Bahrami                  ENSC 388 (F 09)                     Intro and Basic Concepts   

1    

Important  note:  in  engineering  all  equations  must  be  dimensionally  homogenous
...
 It can be used as a sanity 
check for your solution
...
72 mW/mm2 by 
the manufacturer
...
 
2

1W
mW  1000mm 
W
10
...
    The 
mass or region outside the system is called the surroundings
...
 1: System, surroundings, and boundary 
 
Boundary: the real or imaginary surface that separates the system from its surroundings
...
 Mathematically, the boundary has 
zero thickness, no mass, and no volume
...
 But, energy in the form of heat  or work, can  cross the boundary, and the 
volume of a closed system does not have to be fixed
...
 It usually encloses 
a device that involves mass flow such as a compressor
...
 
Important note: some thermodynamics relations that are applicable to closed and open 
systems are different
...
 
Isolated  system:  A  closed  system  that  does  not  communicate  with  the  surroundings  by 
any means
...
 
 M
...
 

mass 
CLOSED 
SYSTEM 
m = const
...
 2: Closed system, mass cannot cross the boundaries, but energy can
...
 3: Control volume, both mass and energy can cross the boundaries
...
 Thus, the total energy 
of a system can be assigned a value of zero at some reference point
...
 
Macroscopic  forms  of  energy:  forms  of  energy  that  a  system  posses  as  a  whole  with 
respect  to  some  outside  reference  frame,  such  as  kinetic  and  potential  energy
...
 

 M
...
 
 Potential energy: is the energy that a system posses as a result of its elevation in a 
gravitational field, PE 
PE  mgz

kJ   

where g is the gravitational acceleration and z is the elevation of the center of gravity 
of the system relative to some arbitrary reference plane
...
 They 
are independent of outside reference frames
...
 
The total energy of a system consists of the kinetic, potential, and internal energies: 
E  U  KE  PE  U 

mV 2
 mgz
2

kJ   

where  the  contributions  of  magnetic,  electric,  nuclear  energy  are  neglected
...
  
 The  sum  of  translational,  vibrational,  and  rotational  energies  of  molecules  is  the 
kinetic  energy  of  molecules,  and  it  is  also  called  the  sensible  energy
...
 
 Internal  energy  associated  with  the  phase  of  a  system  is  called  latent  heat
...
  
 The  internal  energy  associated  with  the  atomic  bonds  in  a  molecule  is  called 
chemical  or  bond  energy
...
  
Energy interactions with a closed system can occur via heat transfer and work
...
 Bahrami                  ENSC 388 (F 09)                     Intro and Basic Concepts   

4    

Fig
...
 

 M
...
  In  classical  thermodynamics,  the 
substance is assumed to be a continuum, homogenous matter with no microscopic holes
...
 
Intensive properties: are those that are independent of the size (mass) of a system, such 
as temperature, pressure, and density
...
 
Extensive  properties:  values  that  are  dependant  on  size  of  the  system  such  as  mass, 
volume, and total energy U
...
 
 Generally, uppercase letters are used to denote extensive properties (except mass 
m),  and  lower  case  letters  are  used  for  intensive  properties  (except  pressure  P, 
temperature T)
...
g
...
 

extensive  
m 

0
...
5m 

V 

0
...
5V 

T 

 

 

P 

T 

T 

 

P 

P 

properties 

intensive  
properties 
 
Fig
...
 

State and Equilibrium 
At a given state, all the properties of a system have fixed values
...
 
In an equilibrium state, there are no unbalanced potentials (or driving forces) within the 
system
...
  
 Thermal  equilibrium:  when  the  temperature  is  the  same  throughout  the  entire 
system
...
 Bahrami                  ENSC 388 (F 09)                     Intro and Basic Concepts   

6    

 Mechanical equilibrium: when there is no change in pressure at any point of the 
system
...
 
 Phase equilibrium: in a two phase system, when the mass of each phase reaches 
an equilibrium level
...
e
...
 

Processes and Cycles 
Any change a system undergoes from one equilibrium state to another is called a process, 
and the series of states through which a system passes during a process is called a path
...
 6: To specify a process, initial and final states and path must be specified
...
  Quasi‐equilibrium  process  is  an  idealized  process  and  is  not  a  true 
representation of the actual process
...
  Moreover, they serve as standards to which actual processes can be compared
...
 Note that the process path indicates a 
series  of  equilibrium  states,  and  we  are  not  able  to  specify  the  states  for  a  non‐quasi‐
equilibrium process
...
 
 Isothermal: is a process during which the temperature remains constant 
 Isobaric: is a process during which the pressure remains constant 
 Isometric: is process during which the specific volume remains constant
...
 

 M
...
 1‐7: A four‐process cycle in a P‐V diagram
...
  The  state  of  a  simple  compressible 
system is completely specified by two independent, intensive properties
...
  
Independent  properties:  two  properties  are  independent  if  one  property  can  be  varied 
while the other one is held constant
...
  

Pressure 

Force
Area

N
 Pa  
m2

In fluids, gases and liquids, we speak of pressure; in solids this is stress
...
 
Weight of liquid
Area
mg Ahg
 
P

A
A
P  gh
P

z 
h

P(z) 

A

Area = A
 

Fig
...
 
 M
...
  
gauge pressure = absolute pressure ‐ atmospheric pressure 

Pgauge  Pabs  Patm
Pvac  Patm  Pabs

P  Patm
P  Patm

 

P 
Pgauge 

Pvac 

Pabs 
Patm 
Absolute 
(vacuum) = 0 
 

Fig
...
 
In thermodynamics calculations, always use absolute pressure
...
  Be 
aware of what you are reading! 
A device that measures pressure using a column of liquid is called a Manometer
...
 The manometer measures the gauge pressure
...
 10: Basic manometer, P2=P1
...
 Bahrami                  ENSC 388 (F 09)                     Intro and Basic Concepts   

9    

Bourdon Tube is a device that measures pressure using mechanical deformation
...
 



very accurate and robust 



can measure from 10‐6 to 105 atm 



can measure Pgauge  or Pabs 

Barometer is a device that measures atmospheric pressure
...
 11: Burdon gauge
...
04  m2,  as  shown  in  Fig
...
  The  depth  of  the  liquid  in  the  cylinder  is  1
...
 The local atmospheric pressure is 0
...
8 m/s2
...
 
Solution: the pressure at the bottom of the cylinder can be found from the summation of 
the forces due to atmospheric pressure, piston weight, and the weight of the liquid in the 
cylinder
...
 Bahrami                  ENSC 388 (F 09)                     Intro and Basic Concepts   

10    



 


 60kg  9
...
97bar   
 1558 kg / m 3 9
...
8 m 
2
0
...
3918 bars

2 
5
2 
 1kg / m
...
97 bar 
mPiston = 60 kg
A = 0
...
8 m 

P = ? 
 
Fig
...
 

Temperature 
Temperature is a pointer for the direction of energy transfer as heat
...
 13: Heat transfer occurs in the direction of higher‐to‐lower‐temperature
...
 The 
equality of temperature is the only requirement for thermal equilibrium
...
  
The 0th law makes a thermometer possible
...
 Bahrami                  ENSC 388 (F 09)                     Intro and Basic Concepts   

11    

In  accordance  with  the  0th  law,  any  system  that  possesses  an  equation  of  state  that 
relates  temperature  T to  other  accurately  measurable  properties  can  be  used  as  a 
thermometer e
...
 an ideal gas obeys the equation of state: 

T

PV
 
mR

Experimentally obtained Temperature Scales: the Celsius and Fahrenheit scales, are based 
on the melting and boiling points of water
...
 
Conventional  thermometry  depends  on  material  properties  e
...
  mercury  expands  with 
temperature in a repeatable and predictable way 
Thermodynamic  Temperature  Scales  (independent  of  the  material),  the  Kelvin  and 
Rankine scales, are determined using a constant volume gas thermometer
...
 Bahrami                  ENSC 388 (F 09)                     Intro and Basic Concepts   

12    



---