Cantera programmi kasutamine

2. Analüüs

1. Temperatuur ja rõhk

temperature 1500 K
pressure 1e+05 Pa

- Näide: Kui õhu temperatuur on toatemperatuuril 300 K, siis 1500 K on 5× kõrgem → molekulid liiguvad keskmiselt üle 2 korda kiiremini (kineetiline energia ~ T).
- Sellisel temperatuuril on CH₄ ja O₂ segu juba väga lähedal põlemisreaktsioonide algusele — kui reaktsioonid lubada, läheks segu kiiresti leekidesse. 

2. Tihedus ja keskmine molaarmass

density 0.15422 kg/m³
mean mol. weight 19.234 kg/kmol

- Näide: Tavaline õhk merepinnal ja 300 K juures on ~1.2 kg/m³. Siin on 0.15 kg/m³ → umbes 8 korda hõredam, sest gaas on palju kuumem.
- Keskmine molaarmass (19.234 g/mol) tuleb koostisest: CH₄ = 16 g/mol, O₂ = 32 g/mol, segu: 0.8·16 + 0.2·32 ≈ 19.2. See on madalam kui õhul (29 g/mol) → seepärast on segu veelgi kergem.

3. Entalpia ja sisemine energia

enthalpy 6.4781e+05 J/kg
internal energy -607.91 J/kg

- Absoluutsed väärtused sõltuvad viitepunktist, mille Cantera valib NASA polünoomidest. Negatiivne sisemine energia ei ole “ebareaalne” – null on kokkuleppeline.
- Näide: Kui jahutada segu 1500 K → 300 K, muutub entalpia palju väiksemaks (Δh negatiivne) → see vastab eraldunud soojusele (gaas annab energiat keskkonnale).

4. Entroopia ja Gibbs’i vabaenergia

entropy 14618 J/kg-K
Gibbs function -2.1279e+07 J/kg

- Entroopia kõrge väärtus (14.6 kJ/kg·K) näitab, et osakestel on palju võimalikke mikroseisundeid.
- Gibbs’i vabaenergia g = h - Ts. Negatiivne suur väärtus tähendab, et süsteemil on väga suur potentsiaal teha reaktsioonides tööd.
- Näide: Kui lisad samasse mahusse veel hapnikku ja lase reaktsioonil kulgeda → Gibbs’i vabaenergia muutub veelgi negatiivsemaks → metaan põleb.

5. Soojusmahud ja γ

cp = 4140.9 J/kg-K
cv = 3708.6 J/kg-K
γ = cp/cv ≈ 1.12

- Suur cp = vaja palju energiat, et kuumutada 1 kg segu veel 1 K võrra → gaas neelab energiat.
- γ (1.12) on väiksem kui ideaalsel kaheatomilisel gaasil (≈1.4), sest siin on palju vabadusastmeid (CH₄ vibratsioonid, pöörded jne), mis neelavad energiat.
- Näide: Kui see gaas paisuks adiabaatiliselt (nt turbiinis), temperatuur langeks palju vähem kui γ = 1.4 puhul → seega vähem efektiivne paisumisprotsess võrreldes õhuga.

6. Koostis ja keemilised potentsiaalid

mass frac. Y: O2 = 0.33272, CH4 = 0.66728
mole frac. X: O2 = 0.2, CH4 = 0.8
chem. pot./RT: O2 = -29.406, CH4 = -33.67

- Segu on väga metaanirikas: tegelikult 8 korda rohkem CH₄ kui stoihhiomeetriliselt vaja (φ ≈ 8). See tähendab, et hapnik saab kohe otsa ja enamus CH₄ jääks põletamata.
- Keemilised potentsiaalid (μ/RT) näitavad, kui “kergesti” aine võib osaleda reaktsioonis. CH₄-l on madalam väärtus (−33.7) → termodünaamiliselt soodsam oksüdeeruda, kui O₂ on olemas.
- Näide: Kui põletad metaani täielikult: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O, reaktsioonil on väga suur negatiivne ΔG → protsess on spontaanselt väga soodne.

Antud näidis oli loodud kasutades gri30.yaml sisendfaili. Cantera andmete hoidlas on olemas veel palju selliseid faile, kus on kirjeldatud erinevate ainete omadused, vaata joonist.