Termodynamika Gaz doskonały Klasyczny gaz idealny Ciepło właściwe I zasada termodynamiki Zmiana energii wewnętrznej Procesy termodynamiczne Sprawność silnika Cykl Carnota II zasada termodynamiki Dział fizyki zajmujący się badaniem energetycznych efektów wszelkich przemian fizycznych i chemicznych, które wpływają na zmiany energii wewnętrznej analizowanych układów. Wbrew rozpowszechnionym sądom termodynamika nie zajmuje się wyłącznie przemianami cieplnymi, lecz także efektami energetycznymi reakcji chemicznych, przemian z udziałem jonów, przemianami fazowymi, a nawet przemianami jądrowymi. To gaz idealny spełniający następujące warunki : Brak oddziaływań międzycząsteczkowych w gazie z wyjątkiem odpychania w momencie zderzeń cząsteczek Objętość cząsteczek jest znikoma w stosunku do objętości gazu Zderzenia cząsteczek są doskonale sprężyste Gaz taki w mechanice klasycznej opisuje równanie Clapeyrona (równanie stanu gazu doskonałego), przedstawiające zależność między ciśnieniem gazu (p), jego objętością (V), temperaturą (T) i licznością (n) wyrażoną w molach: gdzie R jest stałą gazowa lub gdzie k jest stałą Boltzmana Gaz doskonały to model, słuszny w pełni jedynie dla bardzo rozrzedzonych gazów (wzrost ciśnienia powoduje, że zmniejszają się odległości między cząsteczkami, co trzeba uwzględnić, oraz powoduje wzrost przyciągania cząsteczek), w niezbyt niskich (zaczyna dominować przyciąganie cząsteczek), ani zbyt wysokich temperaturach (zderzenia przestają być sprężyste), jednak może być stosowany w praktyce do niemalże wszystkich gazów w warunkach normalnych. Dla gazów rzeczywistych przy dużych gęstościach i ciśnieniach niezbędne jest stosowanie równań uwzględniających w/w pominięte efekty. Ilość ciepła potrzebnego do ogrzania jednego kilograma substancji o jeden stopień to tzw. ciepło właściwe Ciepło molowe jest to ilość ciepła potrzebnego do ogrzania jednego mola substancji o jeden stopień Ponieważ to Gazy mogą być ogrzewane w wyniku dostarczania ciepła tylko w przemianie izobarycznej (p = const.) i izochorycznej (V = const.). Ogrzanie 1 mola gazu o 1 K w obu przypadkach wymaga różnych ilości ciepła i dlatego ciepło molowe (i właściwe) przy stałym ciśnieniu (Cp) ma inną wartość niż ciepło molowe (i właściwe) przy stałej objętości (Cv). Związek między ciepłymi molowymi ma postać : Cp = Cv + R, gdzie R - to stała gazowa Iloraz Cp i Cv stanowi wykładnik adiabatyczny c, gdzie: Pierwsza zasada termodynamiki to prosta zasada zachowania energii, czyli ogólna reguła głosząca, że energia w żadnym procesie nie może pojawić się "znikąd". ΔU = ΔQ + ΔW Gdzie: ΔU - zmiana energii wewnętrznej układu ΔQ - ciepło wymienione przez układ z otoczeniem, jeśli układ oddaje ciepło, jego energia wewnętrzna maleje ΔW - praca wykonana przez układ lub nad układem Wykonując pracę W nad układem lub doprowadzając do sytuacji, gdzie układ wykonuje pracę Dostarczając do układu energię poprzez ciepło Q lub doprowadzając do sytuacji, gdy układ oddaje ciepło Procesem termodynamicznym nazywamy proces zmian układu termodynamicznego. Rozróżniamy procesy odwracalne i nie odwracalne. Proces jest odwracalny, gdy możemy go przeprowadzić w kierunku odwrotnym – ze stanu końcowego do stanu początkowego – przez ten sam ciąg stanów pośrednich, nie wywołując przy tym żadnych zmian w otoczeniu. Przykładem procesów termodynamicznych odwracalnych są przemiany: izotermiczna, izochoryczna, izobaryczna i adiabatyczna. Siła tarcia Siła lepkości N S Prądy wirowe w metalu Zachodzi, gdy temperatura jest stała, ciśnienie i objętość zmieniają się odwrotnie do siebie. Równanie przemiany izotermicznej (prawo Boyle'a - Mariotte'a) ma postać: czyli p1V1 = p2V2 pV = const Wykresem zależności pV=const jest hiperbola, która nazywana jest izotermą. Zachodzi, gdy ciśnienie gazu nie ulega zmianie (jest stałe). Objętość i temperatura gazu w tej przemianie zmieniają się wprost proporcjonalnie do siebie. Ta przemiana gazu nastąpi, gdy otrzyma on ciepło z zewnątrz (gaz ogrzeje się i wykona pracę przesuwając tłok w stronę rosnącej objętości) lub gdy gaz oddaje ciepło na zewnątrz (siły zewnętrzne wykonują pracę w celu zmniejszenia objętości oraz wyrównania ciśnienia i równocześnie nastąpi oziębienie gazu). Ciśnienie gazu jest stałe i równe sumie ciśnienia tłoka i ciśnienia atmosferycznego: p=pa+ pt Równanie przemiany izobarycznej ma postać (prawo Gay - Lussaca): czyli = const Wykresy zależności p(T), p(V), V(T) (czyli izobary) mają poniżej przedstawione przebiegi: Zachodzi, gdy objętość gazu nie ulega zmianie (stała objętość naczynia) a ciśnienie i temperatura gazu zmieniają się wprost proporcjonalnie do siebie. Równanie przemiany izochorycznej (prawo Charlesa) ma postać: czyli Ta przemiana gazu nastąpi, gdy otrzyma on ciepło (ogrzeje się) lub gdy odda ciepło na zewnątrz (oziębia się). Jest to przemiana w której nie ma wymiany ciepła z otoczeniem i wszystkie parametry określające stan gazu (p, V, T) ulegaj zmianie. Równanie przemiany ma postać (równanie Poissona): czyli oraz Wykładnik potęgi (kappa)- wykładnik adiabaty, przyjmuje wartości: dla gazów jednoatomowych np., He, Ar, Kr dla gazów dwuatomowych np., O2, H2, CO dla gazów o cząsteczkach trój lub więcej atomowych np., H2O, CO2 Wykresy przemiany adiabatycznej (adiabaty) w porównaniu z wykresami przemiany izotermicznej: Silnik, który nie może istnieć w przyrodzie Musi być spełniony warunek: tymczasem mamy: Silnik, który może istnieć w przyrodzie: Aby silnik działał prawidłowo, musi spełniać zasady termodynamiki: sprawność: tak musi być, aby silnik spełniał zasady termodynamiki Silnik to układ termodynamiczny podlegający procesowi cyklicznemu, tzn. procesowi, w którym stan końcowy jest identyczny ze stanem początkowym. Cykl Carnota składa się z następujących procesów: pobranie ciepła Q>0 ze zbiornika o temperaturze T, przekazanie ciepła Q'>0 do zbiornika o temperaturze T', T , wykonanie pracy W>0 Cykl Carnota w układzie (p,V) Cykl Carnota w układzie (S,T) Według Clausiusa Nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem jest pobieranie ciepła ze zbiornika chłodniejszego i przekazanie go do zbiornika cieplejszego. Według Kelwina Nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem jest pobranie ciepła i całkowita jego zmiana na pracę.