Rozszerzalność wody
advertisement
Własności cieplne materii Ciepło – sposób przekazywania energii między ciałami Tc Tn Q Temperatura – parametr określający stan ciała zależy od średniej energii kinetycznej molekuł, z których zbudowane jest ciało Ek T W T=0K zamiera bezładny, translacyjny ruch cząsteczek. Rozkład prędkości cząsteczek azotu w różnych temperaturach zakres prędkości m/s ułamek w % cząsteczek azotu z prędkościami o wartościach w podanym zakresie od do 291 K 421 K 0 100 300 500 700 1000 100 300 500 700 1000 1 25 42 24 7 1 0.6 12.6 30.0 29.0 23.0 5.4 mv 2 Ek 2 N2 Pęd cząsteczki azotu p mv 2 14 1,6 1027 500 44,8 10 27 500 2,24 10 23 m kg s p 2,24 1023 F 2,24 1020 N t 0,001 Ciężar człowieka o masie 70 kg Q mg 70 10 700 N 5 t[C] (t 32) F 9 T [K ] t[C] 273 T[ K ] T2 T1 t2 273 (t1 273) t2 t1 t[C] Niektóre temperatury [K] Helowa reakcja termojądrowa 108 Wnętrze Słońca 107 Powierzchnia Słońca Topnienie wolframu 6103 3,6103 Topnienie ołowiu 6102 Zamarzanie wody 2,7102 Skraplanie tlenu 9101 Skraplanie wodoru 2101 Skraplanie helu (4He) Skraplanie helu (3He) przy najniższym osiągalnym ciśnieniu 4,2 310-1 Adiabatyczne rozmagnesowanie soli paramagnetycznych 10-3 Adiabatyczne rozmagnesowanie jąder atomowych 10-6 Pomiar temperatury Termometr – dowolny układ makroskopowy do mierzenia temperatury: • parametr termometryczny układu zmienia się dostatecznie szybko, gdy układ traci lub pobiera energię • jest znacznie mniejszy niż układy, które badamy przy jego pomocy • termometr pokazuje własną temperaturę = temperaturze badanego ciała. Wskazania będą błędne, jeśli będzie dodatkowe źródło ciepła, np. promienie słoneczne termometr Parametr termometryczny X cieczowy – rtęć lub alkohol wysokość słupa cieczy gazowy o stałej objętości ciśnienie gazowy o stałym ciśnieniu objętość oporowy oporność termopara siła termoelektryczna itd oporność metali l R S R Ro (1 t ) oporność półprzewodnika Rozszerzalność cieplna Amplituda drgań ~ 10-9 cm, częstość ~ 1013 Hz. Przy wzroście temperatury rośnie odległość między atomami. kryształ NaCl Zmiana wymiaru liniowego ciała – rozszerzalność liniowa ·10-6 [K-1] aluminium 23 arsen 6 kobalt 12.6 żelazo 12.5 potas 84 srebro 20 porcelana 4 stal 13 diament 1 lt l0 1 t długość w temperaturze t długość w temperaturze t =0ºC Bimetal – element termostatu Zmiana objętości ciała – rozszerzalność objętościowa. Dla ciał izotropowych współczynnik rozszerzalności objętościowej 3 Vt V0 1 t objętość w temperaturze t objętość w temperaturze t =0ºC Gęstość ciał Gęstość ciał maleje z temperaturą o m m V Vo (1 t ) 1 t • ogrzane ciecze i gazy unoszą się do góry, • siła wyporu staje się mniejsza – większe zanurzenie Fw Qc C gV cieczy ciał st Ciało stałe zanurzone w cieczy • po ogrzaniu objętość ciała stałego rośnie Vcst V0 1 cst t • gęstość cieczy maleje o c 1 c t • siła wyporu maleje Fw C gV cieczy ciał st Rozszerzalność wody Vt V0 1 t Wartości współczynnika rozszerzalności wody t [ºC] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ·10-4 [1/K] -63 +88 207 304 390 46 53 58 63 70 75 Maleje objętość – rośnie gęstość Vt V0 1 t 0 od 0 do 4°C o c 1 c t Woda z powierzchni opada na dno po oziębieniu do 4°C! wodór sarin 1 cm3 gazu 1019 cząsteczek. Kalorymetria Do ogrzania masy m danej substancji o T należy dostarczyć ciepło Q mcT Ciepło właściwe 1 Q c m T ilość ciepła potrzebna do podgrzania 1kg danej substancji o 1K. Pojemność cieplna C mc Ciepło właściwe J/(kgK) Ciepło topnienia J/kg Ciepło parowania J/kg aluminium 895 32·104 miedź 395 22·104 platyna 120 10.5·104 woda 4187 33.4·104 22.6·105 benzen 1710 12.7·104 39.4·104 rtęć 138.5 11.7·103 27·104 Ciepło przemiany fazowej – ciepło utajone Q mc topnienie (krzepnięcie) parowanie (skraplanie) Przemiany fazowe topnienie ciało stałe ciecz krzepnięcie ciecz parowanie (wrzenie) gaz skraplanie sublimacja ciało stałe gaz resublimacja Co to jest przejście fazowe? gaz ciecz ciało stałe Temperatury topnienia (krzepnięcia) rtęć wolfram żelazo ołów naftalen parafina alkohol etylowy alkohol metylowy - -39ºC - 3380 ºC - 1540 ºC - 327 ºC - 80 ºC - 52.5 ºC - -117,3 ºC - - 97,8 ºC Temperatura topnienia zależy od ciśnienia Tt rośnie gdy p rośnie topnienie woda lód krzepnięcie temperatura T Ciała bezpostaciowe – szkło, smoła – stopniowo miękną, przechodzą w ciecz o coraz mniejszej lepkości Krzywa topnienia ciał amorficznych – szkieł ciepło Q Parowanie i wrzenie Parowanie jest szybsze gdy: • jest wyższa temperatura, • większa powierzchnia, • ruch powietrza (wiatr). Energia potrzebna do odparowania cieczy może pochodzić od samej cieczy lub otoczenia Temperatury wrzenia – ciśnienie (1000hPa), temperatura 20ºC woda aceton alkohol etylowy alkohol metylowy gliceryna rtęć azot (ciekły) - 100 ºC - 57 ºC - 78,3 ºC - 64,7 ºC - 291 ºC - 356,9 ºC - -195,8 ºC Temperatura wrzenia cieczy zależy od ciśnienia dla wody p [hPa] 2000 1000 500 23 6,1 tw [°] 120 100 82 20 0 Objętość wody w stanie ciekłym jest mniejsza niż w stanie stałym Punkt potrójny – dla wody 6,1 hPa, 0,01°C Suchy lód – zestalony CO2, temp. sublimacji -78,5°C 1 dm3 CO2 sublimuje w temperaturze pokojowej ok. 2 – 3 godz. Roztwory Woda morska (3,5% soli) – tw = 100,6°C, tk = -2°C Temperatura krzepnięcia nasyconego roztworu NaCl -21°C Podczas wrzenia i krzepnięcia roztworów w stan gazowy/stały przechodzi rozpuszczalnik – góry lodowe nie są słone! Skraplanie gazów gęstość cieczy > gęstości gazu Skraplanie gazów – zwiększanie gęstości przez obniżanie temperatury lub sprężanie Punkt C – powyżej temperatury krytycznej TC substancja nie przechodzi w fazę ciekłą Temperatury krytyczne tlen -119ºC azot -147ºC wodór -240 ºC hel -267,9 ºC Wróblewski i Olszewski Uniwersytet Jagielloński 1883 r Energia wewnętrzna Każdy makroskopowy układ fizyczny posiada pewien zasób energii wewnętrznej. Każdej pracy wykonanej przez układ lub pracy wykonanej nad układem przez siły zewnętrzne towarzyszy zmiana stanu układu – zmiana energii wewnętrznej. Energia wewnętrzna układu znajdującego się w kontakcie termicznym z innym układem również ulega zmianie. Zmiana energii wewnętrznej układu praca wymiana ciepła Różny od pracy sposób wymiany energii nazywa się wymianą energii na sposób ciepła. Energia wewnętrzna to: • energia kinetyczna ruchu cieplnego cząsteczek • energia kinetyczna – rotacje, oscylacje, itp. • energia potencjalna oddziaływania cząsteczek • oraz wszelkie inne rodzaje energii. Doświadczenie Joule’a James Prescott Joule (1818-1898) Z określonej ilości pracy otrzymuje się zawsze taką samą ilość ciepła. W mgh, Q mcT • naczynie kalorymetryczne z wodą (rtęcią), • mieszadło – skonstruowane tak, by opór przy mieszaniu był duży • izolacja cieplna – układ adiabatyczny, • układ napędzający mieszadło, • ciężar wykonujący pracę w polu grawitacyjnym, • termometr Taki sam efekt można osiągnąć dostarczając do układu energię na sposób ciepła obydwa sposoby wymiany energii są sobie równoważne. Sumaryczna energia Wszechświata jest stała nie można jej tworzyć lub niszczyć a jedynie przekazywać między układami (H. Helmholtz, 1821-1894) Transport ciepła przewodzenie konwekcja promieniowanie przewodzenie ciepła T2 T1 kS(T2 T1 ) Q t l Współczynniki przewodnictwa cieplnego k [Wm-1K-1] miedź - 400 aluminium - 240 żelazo - 80 drewno, beton, powietrze, woda, tkanki człowieka (w tym tłuszczowa – k < 1 Konwekcja - unoszenie Q bSTt Dla ciała ludzkiego współczynnik konwekcji b 7 Wm-2K-1 Promieniowanie Prawo Stefana-Boltzmanna T2 2T1 E2 16E1 3 3 10 m m T 3 10 3 m m 10-6 m 1000nm 3000 3 10 3 m m 0,5 10-6 m 500nm 6000 E dT St 4 Termosy – nie ma przewodnictwa i konwekcji, ścianki metaliczne odbijają promieniowanie Dewar - naczynie o podwójnych ściankach z wypompowanym powietrzem do przechowywania, transportu skroplonych gazów: tlenu, azotu, argonu, helu itp. Wynaleziony w 1892 przez brytyjskiego fizyka Jamesa Dewara Energetyka organizmów Źródło energii – utlenianie spożywanych produktów przetwarzanie (układ pokarmowy) produkty spożywcze łączenie z tlenem (w obecności enzymów) Proces odbywa się etapami – na każdym jest wyzwalana energia Podstawowe produkty węglowodany białka tłuszcze Wartości energetyczne węglowodany i białka tłuszcze – ok. 17,5·106 J/kg - ok. 39·106 J/kg Organizm prawie w całości wykorzystuje ciepło spalania węglowodanów i tłuszczów – są źródłem energii, przekształcanie białek – pochłania 30% ich energii – są materiałem budulcowym Wypoczynek – 90% energii organizm uzyskuje z tłuszczów, praca fizyczna – 60 % intensywny wysiłek – 30% źródłem energii neuronów jest glukoza. Proces przemiany energii (I zasada termodynamiki) U W Q W – „zewnętrzna” praca organizmu, którą wykonuje człowiek Q – powstające ciepło, w większości wydalane z organizmu Ciepło powstaje podczas pracy „wewnętrznej” organizmu: • tworzenie wiązań w białkach • transport wewnętrzny – krążenie, oddychanie, transport jonów, powstawanie impulsów nerwowych, skurcze mięśni. Podczas pracy wewnętrznej pokonywane są opory – np. związane z lepkością – wydziela się ciepło – utrzymywana jest stała temperatura Wydajność organizmu zewnętrzna praca mechaniczna energia chemiczna z pożywienia nie przekracza 30%. Człowiek zużywa energię nawet nie wykonując pracy zewnętrznej. Szybkość zużywania energii potrzebnej do podtrzymania funkcji biologicznych – nazywa się podstawowym tempem metabolizmu. Średnia jego wartość 1,2 W na 1 kg wagi młodego mężczyzny 1,1 W na 1 kg wagi młodej kobiety. Człowiek o średniej masie zużywa energię w tempie: 80 J/s 150 J/s mózg) - podczas snu, - w dzień, bez aktywności fizycznej (40 W Przyjmując średnie dobowe podstawowe tempo metabolizmu 115 W otrzymamy dobowe minimalne zużycie energii 115·24·3600 = 9936000 ≈ 9,9 MJ 1 J = 0,24 cal 9,9 MJ = 9,7·0,24 cal = 2,376 ·106 cal = 2376 kcal Podczas wykonywania różnych czynności tempo metabolizmu – ΔU/Δt – wzrasta o: • 7,7 W/kg - powolna jazda na rowerze, • 11 W/kg - pływanie, • 18 W/kg - intensywny krótki bieg, W trakcie intensywnego wysiłku człowiek zużywa energię z szybkością 1000 W, z czego 100 W na pracę zewnętrzną. Większa część pokrywa zwiększone zapotrzebowanie organizmu, np. na pracę mięśni. Można określić wydajność organizmu człowieka o masie m podczas pracy W 1 t m 100% U 1 Vm t m Wydajności te są równe: • 3 – 10% • 25 – 30% - praca łopatą, podnoszenie ciężarów, - jazda na rowerze, wchodzenie pod górę. Szybkość wykonywania pracy zależy od czasu jej trwania: ponad 20 W/kg – przy wysiłkach krótkich (finisz biegu), przy długotrwałej pracy powinno być mniejsze od 4 W/kg. Energia uzyskiwana ze spalania produktów służy do syntezy ATP – adenozynotrifosforanu, w którym jest magazynowana energia chemiczna potrzebna do funkcjonowania organizmu. ATP – akumulator energii P. Boyer, J. Walker, 1997, nagroda Nobla z chemii za wyjaśnienie podstaw procesów komórkowych dotyczących przemian energetycznych z wykorzystaniem ATP. ATP to: zasada azotowa (adenina), cukier (ryboza), 3 połączone kwasu fosforowego. Zawartość ATP w organizmie człowieka wynosi kilkadziesiąt gramów, dobowe zużycie – przy braku dużej aktywności fizycznej – nawet 40 kg. resynteza ATP z ADP – po dostarczeniu energii z procesów spalania produktów pokarmowych. Odłączenie ostatniej reszty kwasu fosforowego, przy udziale wody, daje ADP (adenozynodifosforan), przy czym wydziela się energia 29,3 kJ/mol – reakcja egzoenergetyczna. Regulacja temperatury w organizmie człowieka Temperatura wpływa na przebieg procesów fizycznych i chemicznych • lepkość, • gęstość, • szybkość reakcji chemicznych. temperatura otoczenia temperatura człowieka Źródłem ciepła w organizmie są procesy przemiany materii. Wartość podstawowego tempa metabolizmu Wm = 1,2 W na 1 kg m = 70 kg W = 1,2 ·70 = 84 W Energia wytworzona w ciągu 1 godziny E = 84·3600 302 kJ Przy intensywnej pracy energia jest dużo większa!!! Zapobieganie przegrzaniu organizmu przekazanie ciepła do otoczenia głównie konwekcja, promieniowanie, odparowanie wody ze skóry Przewodzenie ciepła ma istotne znaczenie gdy człowiek znajduje się w wodzie. Ciepło parowania wody w temp. ciała = 2,4·106 J/kg, przy intensywnym wysiłku człowiek może odparować ponad 1 kg potu w ciągu godziny. Sposoby oddawania ciepła do otoczenia: • niska temperatura otoczenia (20ºC) – promieniowanie • wyższa temperatura (30º) – rośnie udział konwekcji (szczególnie parowania wody) • temp. człowieka = temperaturze otoczenia – ustaje konwekcja i promieniowanie, pozostaje parowanie wody Wilgotność powietrza Para w stanie równowagi z cieczą – para nasycona W atmosferze znajduje się para wodna – wilgotność wilgotność względna – stosunek ilości pary wodnej znajdującej się w danej temperaturze w określonej ilości powietrza do ilości pary, która nasyciłaby powietrze o tej samej temperaturze i objętości w 100%, n p w 100% pn Wilgotność powietrza odgrywa ważną rolę : • przy produkcji i przechowywaniu artykułów (przędza, papier, ziarno, zbiory muzealne), • decyduje o zjawiskach atmosferycznych (deszcz, rosa, mgła, chmury), • wpływa na funkcjonowanie organizmu (pocenie się, regulacja temperatury) Punkt rosy – temperatura, przy której podczas oziębiania rozpoczyna się proces skraplania pary wodnej. Niższa temperatura – mniej pary wodnej w powietrzu do osiągnięcia stanu nasycenia. Najbardziej sprzyjająca człowiekowi jest wilgotność 60%. Lepszy jest klimat gorący i suchy niż gorący i wilgotny. Temp. otoczenia ok. 20ºC tracenie ciepła przez: - konwekcję – 25% do 50 % przy wietrze - promieniowanie – 50% do 70% przy niższej temp. - parowanie wody – 25% do 100% przy upalnej pogodzie. ciepło z wewnętrznych narządów jest dostarczane do warstwy powierzchniowej organizmu jest przenoszone przez krew W wyższej temperaturze - rozszerzenie podskórnych naczyń krwionośnych – przyspiesza dostarczanie ciepła z organów wewnętrznych Wzrasta obwodowy przepływ krwi, przepływ wewnętrzny osłabiony – niedokrwienie i omdlenie. Zbyt szybkie parowanie – odwodnienie organizmu Niebezpieczne odwodnienie 7-8% ciężaru ciała – wzrasta gęstość krwi, zakłócona praca nerek, wydzielania śliny. Z potem wydzielana jest sól – zmiany w dystrubucji płynów ustrojowych. Bardzo niskie temperatury • zmniejszenie strat ciepła - kurczenie powierzchniowych naczyń krwionośnych, • zwiększenie szybkości wytwarzania ciepła (drżenie mięśni, wzrost szybkości metabolizmu) Ośrodek termoregulacji – w części mózgu – podwzgórzu podwzgórze przednie – reaguje na temperaturę krwi i uruchamia mechanizm usuwania ciepła, podwzgórze tylne – reaguje na obniżenie temperatury przez receptory w skórze i uruchamia procesy zachowania ciepła Krioterapia (-160ºC) – powoduje przyspieszenie wypromieniowywanie ciepła z organizmu – zwiększa się wydzielanie hormonów, np. adrenaliny – ustaje uczucie bólu, można zwiększyć intensywność rehabilitacji. Wpływ temperatury wewnętrznej na funkcjonowanie organizmu Temperatura człowieka – 36ºC - 38 ºC większe zmiany – zakłócenie w funkcjonowaniu organizmu niebezpieczne – powyżej 41 ºC lub poniżej 33 ºC – zakłócenie funkcjonowania mechanizmu termoregulacji powyżej 42 ºC lub poniżej 30 ºC – mechanizm może być wyłączony Wzrost temperatury do 44 ºC - 45 ºC – upłynnienie błon komórkowych, denaturacja niektórych białek – są to zmiany nieodwracalne, Obniżenie temperatury poniżej 28 ºC – zakłócenie pracy serca, zmniejszenie aktywności enzymów regulujących przemianę materii Temperatura wewnętrzna najszybciej obniża się na powierzchni organizmu – odmrożenia stóp, dłoni, twarzy. Temperatura poniżej 27 ºC – może doprowadzić do ustania funkcji organizmu
