termodynamika - podstawowe pojęciafizyka.ur.krakow.pl/Wyk_cz5_pdf.pdf · termodynamika - podstawowe pojęcia • Układ termodynamiczny - wyodrębniona część otaczającego nas

termodynamika - podstawowe pojęcia • Układ termodynamiczny - wyodrębniona część otaczającego nas świata.

• Parametry układu termodynamicznego - wielkości fizyczne, za pomocą których opisujemy stan układu termodynamicznego, takie jak: temperatura (T), objętość (V), ciśnienie (p).

• Proces termodynamiczny - każda zmiana układu, przy której zmienia się wartość co najmniej jednego z parametrów układu. Wyróżniamy następujące podstawowe przemiany termodynamiczne:

– przemiana izotermiczna (T=const),

– przemiana izobaryczna (p=const),

– przemiana izochoryczna (V=const),

– przemiana adiabatyczna (dQ=0; pVk=const, gdzie k=cp/cV).

• Układ izolowany - układ, który nie wymienia z otoczeniem, ani materii, ani energii.

• Układ zamknięty - układ termodynamiczny, który nie może wymieniać z otoczeniem materii, a jedynie energię, (np. układ zamknięty adiabatycznie - nie wymienia z otoczeniem energii w postaci ciepła, lecz może wymieniać energię w postaci

pracy).

• Stan równowagi termodynamicznej - stan układu, którego parametry nie zależą od czasu (parametry określające ten układ oraz wszystkie funkcje stanu są niezmienne w czasie).

Temperatura i ciepło

Ciepło jest energią przekazaną między układem a jego otoczeniem na skutek istniejącej między nimi różnicy temperatur.

Zmiana temperatury jest wynikiem przepływu energii termicznej między układem a jego otoczeniem.

Energia termiczna to energia wewnętrzna – energia kinetyczna i potencjalna atomów, cząsteczek i innych mikroskopowych ciał tworzących układ.

Ciepło jest pobierane w wyniku bezpośredniego kontaktu ciał od ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej.

Zerowa zasada termodynamiki

Jeżeli ciała A i B są w stanie równowagi termodynamicznej z trzecim ciałem, to są one także w stanie równowagi termodynamicznej ze sobą nawzajem.

A B

T=100C

T=100C

A

B

Q=0

Pochłanianie ciepła Ciepło właściwe c jest energią – ciepłem Q pochłoniętym przez ciało o masie m 1 kg tak aby zmieniło swoją temperaturę DT o 1 stopień.

Ciepło przemiany jest ciepłem pochłoniętym przez ciało o masie 1 kg tak aby zmieniło swoją fazę.

Tm

Q

TTm

Qc

pk D

)(

m

QL

substancja c. właściwe [J*kg-1*K-1]

c. topnienia [kJ/kg]

c. parowania [kJ/kg]

miedź 386 13 300

glin (aluminium) 900 11 293

alkohol etylowy 2430 104 854

woda 4190 333 2257

ciepło przemiany

ciepło topnienia

ciepło parowania

Bilans cieplny

Bilans c. stosuje się dla układu izolowanego od otoczenia. Układ tworzą ciała o różnych temperaturach i jedyną formą zmiany energii wewnętrznych tych ciał jest wymiana ciepła pomiędzy nimi. Wtedy, I-sza zasada termodynamiki redukuje się do postaci:

pobraneoddane QQ

QQQQ

2121 ''

bilans cieplny stosuje się w kalorymetrii

Bilans cieplny – przykład

Na taflę lodu o temperaturze 0C puszczamy strumień pary wodnej o temperaturze 100C. Ciepło topnienia lodu: 3,3105 J kg-1, ciepło skraplania pary wodnej w 100C: 2,3106 J kg-1, ciepło właściwe wody: 4,2103 J kg-1K-1. Jeśli masa pary wynosi 1 kg, to ile wyniesie masa stopionego lodu (m)?

lodutopnieniaparyskroplonejchłparyskraplania QQQ ____

2,3106 J kg-1 1 kg + 1 kg 4,2103 J kg-1K-1 (100C - 0C) = 3,3105 J kg-1 m

Rozszerzalność cieplna

rozszerzalność liniowa

bimetal

Tll DD 0

substancja [10-6/K]

glin (aluminium) 23

mosiądz 19

stal 11

TVV DD 0

3

rozszerzalność objętościowa

Rozszerzalność cieplna (mikroskopowy opis)

Tp<<Tk

gaz (cząsteczki azotu) W wyniku wzrostu temperatury, dla gazu: •zwiększa się prędkość postępowa cząstek i co za tym idzie liczba zderzeń •objętość cząsteczek/ato-mów pozostają bez zmian

ciało stałe (metal)

Tp<<Tk

dla ciała stałego: •zwiększa się amplituda drgań atomów •objętość cząsteczek/ato-mów pozostają bez zmian

W każdym przypadku zwiększa się średnia odległość między atomami.

Ciepło i praca

gdzie: p – ciśnienie gazu S – powierzchnia tłoka

bimetal

pdVSdspsdFdW )(

końo

pocz

V

V

pdVdWW

W wyniku ujęcia niedużej ilości piasku na cylinder zadziałała siła F skierowana pionowo do góry, przesuwając tłok o mało odległość ds.

Praca a ciśnienie

kierunek przemiany

W > 0

Kciś

nie

nie

objętość

P

W < 0

Kciś

nie

nie

objętość

P

W > 0 Kciś

nie

nie

objętość

P

W > 0

Kciś

nie

nie

objętość

P

W > 0

Kciś

nie

nie

objętość

P

Wwyp

> 0

końo

pocz

V

V

pdVdW

I-sza zasada termodynamiki

Wyraża prawo zachowania energii w układach termodynamicznych: zmiana energii wewnętrznej DU układu jest równa sumie pracy, wykonanej nad układem (lub wykonanej przez układ) i dostarczonego układowi (lub odebranego przez układ) ciepła: Z zasady tej wynika, że nie można zbudować perpetuum mobile pierwszego rodzaju, czyli hipotetycznej maszyny, która wykonuje pracę nie pobierając energii z otoczenia lub wykonującej większą pracą od pobranej energii.

WQU DDD

Szczególne przypadki I-szej zasady termodynamiki

– przemiana adiabatyczna

przemiana adiabatyczna – układ nie wymienia ciepła z otoczeniem DQ = 0.

WU D

pV = const

T2 = 2*T

1 = const

p -

ciś

nie

nie

V - objętość

W

T1 = const

Szczególne przypadki I-szej zasady termodynamiki

– przemiana izochoryczna przemiana izochoryczna – zachodzi przy stałej objętości V = 0. (W = -pV = 0)

QU DD

ochładzanie

ogrzewanie

V - objętość

p -

ciś

nie

nie

na krzywej p(V) proces izochoryczny jest linią pionową ciepło jest dodatnie przy ogrzewaniu układu ciepło jest ujemne przy ochładzaniu układu

Szczególne przypadki I-szej zasady termodynamiki

– proces cykliczny proces cykliczny – układ po wymienieniu ciepła i/lub wykonaniu pracy powraca do stanu początkowego, zatem jego energia wewnętrzna nie ulega zmianie DU = 0.

WQ

W > 0

Kciś

nie

nie

objętość

P

Wwyp

> 0

każdy proces cykliczny przedstawiony na krzywej p(V) jest krzywą zamkniętą

Szczególne przypadki I-szej zasady termodynamiki

– rozprężanie swobodne rozprężanie swobodne – przemiana adiabatyczna + brak wykonanej pracy przez i nad układem DQ = 0, W = 0.

0DU

proces zachodzący gwałtownie na krzywej p(V) można zaznaczyć tylko punkt początkowy i końcowy

mechanizmy przekazywania ciepła

– przewodnictwo cieplne i opór cieplny

R

T

L

TTkS

t

QP ZG

przew

D

kS

LR

substancja k [W∙m-1K-1]

miedź 401

glin (aluminium) 235

stal 14

powietrze (suche) 0,026

szkło (okienne) 1

wata szklana 0,048

Strumień ciepła Pprzew, czyli ilość energii przepływającej Q w jednostce czasu t jest proporcjonalny do różnicy temperatur TG – TZ, a odwrotnie proporcjonalny do oporu cieplnego R, zdefiniowanego jako stosunek długości przewodnika L do iloczynu powierzchni przewodnika S i współczynnika przewodności cieplnej właściwej k.

gdzie:

mechanizmy przekazywania ciepła

– konwekcja

Prądy konwekcyjne to ruchy cząstek (gazu, cieczy) w kierunku pionowym. Warunkiem powstania prądów konwekcyjnych jest istnienie różnic temperatur, które w związku ze zjawiskiem rozszerzalności, powodują powstawanie różnic gęstości. Zgodnie z prawem Archimedesa, gazy/ciecze o mniejszej gęstości wypływają na powierzchnię, a ich miejsce zajmują gazy/ciecze o większej gęstości.

http://pl.wikipedia.org/wiki/Konwekcja

mechanizmy przekazywania ciepła

–promieniowanie

Promieniowanie to przepływ energii w wyniku promieniowania elektromagnetycznego. Moc promieniowania cieplnego:

4STPprom

gdzie s – stała Stefana-Boltzmanna, e – zdolność emisyjna powierzchni ciała, S – pole powierzchni ciała, T – temperatura

fala elektromagnetyczna nie potrzebuje ośrodka do rozchodzenia się, zatem jedyną izolacją od promieniowania są powierzchnie lustrzane dobrze odbijające

Przemiany nieodwracalne, zmiana entropii

Energia nie wyznacza kierunku procesów nieodwracalnych. Entropia, tak jak ciśnienie objętość, temperatura i energia jest parametrem stanu – jej zadanie to wyznaczenie kierunku w procesie nieodwracalnym. Zmianę entropii definiujemy:

D

koń

pocz

poczkońT

dQSSS

przemiana nieodwracalna w układzie zamkniętym powoduje zawsze wzrost entropii aby wyznaczyć zmianę entropii w przemianie nieodwracalnej zachodzącej w układzie zamkniętym, należy zastąpić tę przemianę dowolną przemianą odwracalną , która ma taki sam stan początkowy i końcowy

II-ga zasada termodynamiki

Entropia nigdy nie maleje w układzie zamkniętym.

0DS

entropia wzrasta w przemianach nieodwracalnych entropia się nie zmienia w przemianach odwracalnych w świecie rzeczywistym wszystkie przemiany są nieodwracalne, procesy dla których entropia się nie zmienia są idealizacją entropia może maleć w układzie otwartym do którego dostarczana jest energia z zewnątrz