termodynamika - podstawowe pojęcia
advertisement
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. T=100C A Q=0 T=100C A B B 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. Q Q c m(Tk Tp ) mDT substancja c. właściwe c. topnienia [J*kg-1*K-1] [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 jest ciepłem pochłoniętym przez ciało o masie 1 kg tak aby zmieniło swoją fazę. ciepło Q L m ciepło przemiany 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: Q1Q2 Q'1 Q'2 Qoddane Qpobrane 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)? Q skraplania_ paryQchł _ skroplonej_ pary Qtopnienia_ lodu 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 Dl l0 DT DV V0 DT rozszerzalność liniowa rozszerzalność objętościowa 3 bimetal substancja [10-6/K] glin (aluminium) 23 mosiądz 19 stal 11 Rozszerzalność cieplna (mikroskopowy opis) gaz (cząsteczki azotu) Tp<<Tk ciało stałe (metal) W wyniku wzrostu temperatury, dla gazu: •zwiększa się prędkość postępowa cząstek i co za tym idzie liczba zderzeń •objętość cząsteczek/atomów pozostają bez zmian dla ciała stałego: Tp<<Tk •zwiększa się amplituda drgań atomów •objętość cząsteczek/atomów pozostają bez zmian W każdym przypadku zwiększa się średnia odległość między atomami. Ciepło i praca dW F ds p(Sds) pdV W dW Vkońo pdV V pocz gdzie: p – ciśnienie gazu S – powierzchnia tłoka bimetal W wyniku ujęcia niedużej ilości piasku na cylinder zadziałała siła F skierowana pionowo do góry, przesuwając tłok o mało odległość ds. Praca a ciśnienie P ciśnienie ciśnienie K dW K W>0 W<0 objętość objętość P K pdV P K ciśnienie W>0 Vkońo V pocz P ciśnienie ciśnienie kierunek przemiany P W 0 W >> 0 wyp K W>0 objętość objętość objętość 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: DU DQ DW 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. Szczególne przypadki I-szej zasady termodynamiki – przemiana adiabatyczna przemiana adiabatyczna – układ nie wymienia ciepła z otoczeniem DQ = 0. DU W p - ciśnienie T2 = 2*T1 = const pV = const T1 = const W V - objętość Szczególne przypadki I-szej zasady termodynamiki – przemiana izochoryczna przemiana izochoryczna – zachodzi przy stałej objętości V = 0. (W = -pV = 0) na krzywej p(V) proces izochoryczny jest linią pionową ciepło jest dodatnie przy ogrzewaniu układu ciepło jest ujemne przy ochładzaniu układu p - ciśnienie DU DQ ogrzewanie ochładzanie V - objętość 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. Q W ciśnienie każdy proces cykliczny przedstawiony na krzywej p(V) jest krzywą zamkniętą P W 0 W >> 0 wyp K objętość Szczególne przypadki I-szej zasady termodynamiki – rozprężanie swobodne rozprężanie swobodne – przemiana adiabatyczna + brak wykonanej pracy przez i nad układem DQ = 0, W = 0. DU 0 proces zachodzący gwałtownie na krzywej p(V) można zaznaczyć tylko punkt początkowy i końcowy mechanizmy przekazywania ciepła – przewodnictwo cieplne i opór cieplny 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. Q TG TZ DT Pprzew kS t L R substancja k [W∙m-1K-1] miedź 401 glin (aluminium) 235 stal 14 powietrze (suche) 0,026 szkło (okienne) 1 wata szklana 0,048 gdzie: L R kS 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: Pprom ST 4 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: koń dQ DS S koń S pocz T pocz 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. DS 0 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
![Lekcja7_Przemiany cieplne [tryb zgodności]](http://s1.studylibpl.com/store/data/000767750_1-d24a9cf79203d5ba0f158a23d0f568d6-300x300.png)
