Termodynamika - Instytut Fizyki
advertisement
Podstawy fizyki wykład 6 Dr Piotr Sitarek Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska Termodynamika Elementy termodynamiki Temperatura Rozszerzalność cieplna Ciepło Praca a ciepło Pierwsza zasada termodynamiki Gaz doskonały - przemiany Druga zasada termodynamiki Np. D.Halliday, R.Resnick, J.Walker, Podstawy fizyki, tom II (PWN) H. D. Young, R. A. Freedman, Sear’s & Zemansky’s University Physics with Modern Physics (Addison-Wesley Publishing Company) K.Sierański, P.Sitarek, K.Jezierski, Repetytorium … (Scripta) K.Sierański, K.Jezierski, B.Kołodka, Wzory … część II (Scripta) Termodynamika Termodynamika – dział fizyki, który zajmuje się energią termiczną (energią wewnętrzną) układu. Bada efekty energetyczne wszelkich przemian fizycznych i chemicznych, które wpływają na zmiany energii wewnętrznej analizowanych układów. Podstawowym pojęciem termodynamiki jest temperatura. Termodynamika Zerowa zasada termodynamiki termoskop Jeżeli ciała A i B są w stanie równowagi termodynamicznej z trzecim ciałem T, to są one także w stanie równowagi termodynamicznej ze sobą nawzajem. lub inaczej Każde ciało ma pewną właściwość, którą nazywamy temperaturą. W stanie równowagi termodynamicznej temperatura ciał jest równa. Termodynamika Skala Kelvina Aby zdefiniować skalę temperatur, trzeba wybrać jakieś powtarzalne zjawisko (zależne od temperatury) i przypisać mu pewną (dowolną) wartość temperatury bezwzględnej. Przyjęto, że jest to tzw. punkt potrójny wody: Stąd przyjęto, że kelwin to 1/273,16 różnicy pomiędzy temperaturą punktu potrójnego wody a zerem bezwzględnym. Termodynamika Skala Celsjusza Anders Celsius (1701–1744) zaproponował ‘odwróconą’ skalę temperatury: 0o – wrzenie wody 100o – topnienie lodu Carolus Linnaeus (1707–1778) zastosował te same punkty temperatury lecz odwrócił skalę: 100o – wrzenie wody 0o – topnienie lodu Termodynamika Skala Farenheita Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736) użył do kalibracji: 0oF – temperatura solanki (lód, woda, sole) 100oF – temperatura żony W skali Fahrenheita temperatura zamarzania wody: 32oF, a temperatura wrzenia wody ~ 212o F. Aby różnica wynosiła 180oF, zrobiono drobne poprawki. W wyniku poprawek temperatura ciała ludzkiego wynosi 98.6oF. Termodynamika Porównanie punkt potrójny wody zero bezwzględne Termodynamika Termometry • Termometry „objętościowe” związane są ze zmianą wymiarów ciała ze zmianą temperatury (rozszerzalność liniowa). Najprostszym przykładem jest termometr rtęciowy. Dokładniejszym przyrządem tego typu jest termometry gazowy stałego ciśnienia. Pomiar temperatury polega na pomiarze objętości (wymiaru liniowego) rozszerzającego się ośrodka. • Termometry gazowe stałej objętości bazują na pomiarze zmian ciśnienia ze zmianą temperatury. Służą do pomiarów małych temperatur. • Termorezysty – to elementy elektryczne, które mierzą zmiany temperatury poprzez pomiar związanej z nią zmiany oporu przewodnika bądź półprzewodnika • Termopary to układy dwóch przewodników, na stykach których wytwarza się napięcie termoelektryczne, proporcjonalne do różnicy temperatur obu styków (zjawisko Seebecka). • Pirometry mierzą temperaturę poprzez pomiar (porównanie) emisji promieniowania ciała, którego temperaturę chcemy określić, z emisją ciała doskonale czarnego – nadają się do pomiaru wysokich temperatur i do pomiarów „na odległość”. Termodynamika Termometry Bolometry również bazują na fakcie, że emisja promieniowania danego ciała jest proporcjonalna do jego temperatury. Układy bimetali służą raczej jako dwustanowe przełączniki termiczne, niż termometry, ale też pełnią rolę „mierników” temperatury. Termodynamika Rozszerzalność cieplna Termodynamika Rozszerzalność cieplna Rozszerzalność liniowa Termodynamika Rozszerzalność cieplna Termodynamika Rozszerzalność cieplna Termodynamika Rozszerzalność cieplna Przykład: Jaka jest różnica długości legara betonowego o długości 12 m, pomiędzy latem (35oC) i zimą (-5oC)? L = 12 m DT = 40oC = 12*10-6/C DL =12*10-6 *12 * 40 = 5.5*10-3 m = 5.5 mm Termodynamika Ciepło Obserwowana zmiana temperatury jest wynikiem przepływu energii termicznej pomiędzy układem a jego otoczeniem. Przekazywana energia nazywana jest ciepłem (Q). Q > 0 gdy energia jest przekazywana z otoczenia do układu (wzrasta jego energia termiczna). Termodynamika Ciepło Ciepło jest energią przekazywaną między układem a jego otoczeniem na skutek istniejącej między nimi różnicy temperatury. Jednostką ciepła jest dżul [J] Kaloria (łac. calor – ciepło) – historyczna jednostka ciepła - ilość ciepła potrzebna do podgrzania, pod ciśnieniem 1 atmosfery, 1g czystej chemicznie wody o 1 °C od temperatury 14,5 °C do 15,5 °C. 1 cal = 4,1855 J W 1929 roku wprowadzono kalorię międzynarodową (obecnie używany w fizyce przelicznik): 1 cal = 4,1868 J Termodynamika Przekazywanie ciepła Termodynamika Przemiany fazowe Termodynamika Przemiany fazowe Termodynamika Przemiany fazowe Termodynamika Mechanizmy przekazywania ciepła konwekcja promieniowanie przewodnictwo promieniowanie Termodynamika Mechanizmy przekazywania ciepła Przewodnictwo cieplne – bezpośredni kontakt układów, wymiana energii odbywa się w wyniku oddziaływania cząsteczek ciał; Cząstki ciała się nie przesuwają. Substancja k [W/(m*K)] Stal nierdzewna 14 Aluminium 235 Szkło okienne 1.0 Drewno sosnowe 0,11 Wełna mineralna 0,043 Pianka poliuretanowa 0,024 Woda 0,57 Powietrze 0,026 Ciało ludzkie(średnio) 0,20 Lód 2,2 Termodynamika Mechanizmy przekazywania ciepła Konwekcja – przenoszenie energii w cieczach i gazach nie na skutek ruchu pojedynczych cząsteczek, a w wyniku ruchu makroskopowych ilości substancji. Ruchy te występują na skutek różnicy gęstości substancji w różnych temperaturach (np. w polu grawitacyjnym planety ciepłe masy wody lub gazów unoszone są do góry, a chłodne masy opadają, ponieważ mają większą gęstość w pewnym zakresie temperatur), ruch płynu może być też wywołany inną przyczyną. Termodynamika Mechanizmy przekazywania ciepła Promieniowanie cieplne – za pomocą fal elektromagnetycznych; nie jest potrzebna obecność materii. Termodynamika Mechanizmy przekazywania ciepła Przykład: Powierzchnia człowieka – około 1m2 Zdolność emisyjna – około 0.75; Temperatura otoczenia Te=20 ⁰C=293K Temperatura człowieka około T=37⁰C=310K Pnet S T 4 Te4 0.75 * 5,67 108 W m2 K 4 1m2 310K 293K 79W 4 W czasie doby 24h=86400s, tracimy: Q Pnet t 79W 86400s 6.8 106 J Jeśli jemy 2000 kcal dziennie, czyli 2000 *1000*4.2J=8.4x106J Inne: Te=30⁰C => P=34W Te=18⁰C => P=88W, na dzień Q=7.6x106J 4 Termodynamika ciśnienie, p Praca a ciepło przemiana objętość, V Termodynamika Pierwsza zasada termodynamiki Termodynamika Pierwsza zasada termodynamiki Termodynamika Pierwsza zasada termodynamiki - przykłady Termodynamika Pierwsza zasada termodynamiki - przykłady Termodynamika Gaz doskonały Termodynamika Gaz doskonały Termodynamika Przemiany gazu doskonałego Termodynamika Przemiany gazu doskonałego Termodynamika Przemiany gazu doskonałego Termodynamika Proces kołowy – cykl Carnota Termodynamika Proces kołowy – cykl Carnota Termodynamika Proces kołowy – cykl Carnota Termodynamika Proces kołowy – cykl Carnota Termodynamika Druga zasada termodynamiki Termodynamika Druga zasada termodynamiki Dziękuję za uwagę!
