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:
Q1Q2    Q'1 Q'2 
Qoddane  Qpobrane
bilans cieplny stosuje się w kalorymetrii
Bilans cieplny – przykład
Na taflę lodu o temperaturze 0C puszczamy strumień pary
wodnej o temperaturze 100C. Ciepło topnienia lodu: 3,3105
J kg-1, ciepło skraplania pary wodnej w 100C: 2,3106 J kg-1,
ciepło właściwe wody: 4,2103 J kg-1K-1. Jeśli masa pary wynosi
1 kg, to ile wyniesie masa stopionego lodu (m)?
Q skraplania_ paryQchł _ skroplonej_ pary Qtopnienia_ lodu
2,3106 J kg-1  1 kg + 1 kg  4,2103 J kg-1K-1  (100C - 0C) = 3,3105 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
Download
Random flashcards
bvbzbx

2 Cards oauth2_google_e1804830-50f6-410f-8885-745c7a100970

Motywacja w zzl

3 Cards ypy

słowka

2 Cards kksenia.kot1997

2-2=0

2 Cards jogaf85537

Create flashcards