Temperatura i ciepło

Temperatura
Istnieje wielkość skalarna zwana temperaturą, która jest
właściwością wszystkich układów termodynamicznych (w
stanie równowagi). Równość temperatury jest warunkiem
koniecznym i wystarczającym równowagi termicznej.
Jeśli ciała A i B są w stanie równowagi termicznej z trzecim
ciałem T, to są także w stanie równowagi ze sobą
nawzajem.
Zerowa zasada termodynamiki
Temperatura empiryczna układu jest taką wielkością, która
osiąga tę samą wartość dla wszystkich podukładów
będących ze sobą w kontakcie termicznym.
Termometr
Termometr gazowy stałej objętości
P
T = Tw
Pw
ciśnienie
ciśnienie – pomiar wzorca
temperatura wzorca (np. punkt potrójny wody)
p = p 0 + ρgh
Skale temperatury
1 Kelwin – 1/273,16 różnicy między zerem
bezwzględnym a punktem potrójnym wody
„0K” oznacza zero absolutne, najniższą
teoretycznie możliwą temperaturę, jaką
może mieć kryształ doskonały, w którym
ustały wszelkie drgania cząsteczek.
Temperatura i ciepło
Przemiana – przejście z jednego stanu równowagi do
drugiego pod wpływem czynnika zewnętrznego.
E=EK+EP+U
Energia wewnętrzna
Q [J] - Ciepło jest energią przekazywaną między
układem a jego otoczeniem na skutek istniejącej
między nimi różnicy temperatur.
Znak:
„+” z otoczenia do układu
„-” z układu do otoczenia
1 cal (kaloria) = 4,1860 J, ciepło potrzebne do podniesienia
temperatury 1 grama wody z 14,5 do 15,5 °C
Pojemność cieplna
Q=C·∆T=C(TK-TP)
Pojemność cieplna [J·K-1]
Q=c·m·∆T=c·m(TK-TP)
Ciepło właściwe
Q=cmol·n·∆T
Ciepło molowe
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
Ciepło przemian
Q=cprzem·m
Stopienie wymaga dostarczenia energii
(zerwanie wiązań).
Krystalizacja wymaga odebrania energii.
Parowanie wymaga dostarczenia energii, a
skraplanie jej odebrania.
Ciepło przemian
Radiator z tzw. kanałem cieplnym (heat pipe)
Przechłodzenie i przegrzanie
Przemiany pierwszego i drugiego rodzaju
Przemiany 1 rodzaju:
-ciepło przemiany
-nukleacja nowej fazy
-możliwość przechłodzenia i przegrzania
Przemiany 2 rodzaju:
-brak ciepła przemiany
-zachodzą w całej objętości
-brak stanów metastabilnych
Kalorymetr
Kalorymetr służy pomiaru ciepła wydzielanego lub
pobieranego podczas procesów chemicznych i fizycznych
Krystalizacja (ciepło oddawane)
Kalorymetr różnicowy
Topnienie (ciepło pobierane)
Ciepło i praca
r r
dW = F ⋅ dl = p ⋅ (Sdl ) = pdV
Vk
W = ∫ dW = ∫ pdV
Vp
I zasada termodynamiki
ciepło dostarczone do układu
∆E w = EWK − EWP = Q − W
praca wykonana przez układ
dU = dQ − dW
Energia wewnętrzna układu U wzrasta, jeśli układ pobiera energię w
postaci ciepła Q i maleje, kiedy układ wykonuje pracę W.
Mechanizmy przekazywania ciepła
Prawo Fouriera
Przypadek jednowymiarowy - opis uproszczony
TG − TZ
Q
P = = k ⋅S
T
L
grubość warstwy
współczynnik przewodności cieplnej
Opór cieplny
L
R=
k ⋅S
Promieniowanie cieplne
Prawo Stefana - Boltzmana
E~T4
Konwekcja
Zależna od sił wyporu i lepkości ośrodka.
Konwekcja wymuszona
Przykłady – izolacja termiczna
Termos
Aerożel