„Właściwości termiczne gazów, cieczy i ciał stałych"

Aneta Drabińska
Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego
Warszawa, ul. Hoża 69

Zerowa zasada termodynamiki
◦ Równowaga termiczna i równowaga
termodynamiczna

Pierwsza zasada termodynamiki

Maszyny cieplne
◦ Ciepło
◦ Praca
◦ Energia wewnętrzna
◦ Silniki cieplne
◦ Lodówki i pompy cieplne

Druga zasada termodynamiki
◦ Perpetuum mobile II rodzaju
Temperatura jest miarą przekazu ciepła.
Ciało o wyższej temperaturze wydaje nam się
ciepłe, podobnie jak ciało o niższej
temperaturze wydaje nam się zimniejsze.
SYSTEM
A
przewodnik
przewodnik
izolator
Jeśli SYSTEM C jest w równowadze
termicznej z SYSTEMEM A i SYSTEMEM B to
SYSTEM A jest w równowadze termicznej z
SYSTEMEM B.
Każdy z tych systemów ma tą samą
temperaturę.
SYSTEM
B
przewodnik
SYSTEM
C
Równowaga termodynamiczna =
równowaga termiczna +
równowaga mechaniczna +
równowaga chemiczna
SYSTEM
A
SYSTEM
B
SYSTEM
C
Ciepło jest formą przekazu energii pomiędzy
dwoma ciałami, będąca wynikiem różnicy
temperatur tych ciał.
Substancja
c
Q  mcT
Wartość ciepła właściwego zależy
od warunków pomiaru.
 cp – ciepło właściwe przy stałym
ciśnieniu
 cV – ciepło właściwe przy stałej
objętości
[Jkg-1K-1]
Złoto
129
Miedź
387
Krzem
703
Szkło
837
Lód
2090
Gliceryna
2386
Alkohol
2400
Woda
4190
Para
2010
Zasada zachowania energii:
Qp  mmcm Tm  TK 
Qo  mwcw Tw  TK 
Qo  Qp  0  mmcm Tm  TK   mwcw Tw  TK 
mw Tm  TK 
cm  c w
mm TK  Tm 
Dostarczanie ciepła nie zawsze skutkuje
zmianą temperatury.
Q  mL
Topnienie: ciało stałe  ciecz
Krzepnięcie: ciecz  ciało stałe
Parowanie: ciecz  gaz
Skraplanie: gaz  ciecz
Sublimacja: ciało stałe  gaz
Resublimacja: gaz  ciało stałe
Substancja
Ltop
Lpar
[J/kg]104
[J/kg] 105
Hel
0,52
0,21
Tlen
1,38
2,13
Alkohol
10,4
8,24
Woda
33,3
22,6
Miedź
13,4
50,6
Srebro
8,82
23,3
Woda + Para
Para
Wo
Lód +da
Woda
Lód
Energia
(J)
AB
C
D E

Przewodnictwo cieplne
Tc
S
L
Tz
Q Sk
Tc  Tz 
H

t
L
 Konwekcja
Substancja
k
[Wm-1K-1]
Srebro
406,0
Miedź
385,0
Stal
50,2
Rtęć
8,3
Szkło
0,8
Drewno
0,12-0,04
Styropian
0,01
Wodór
0,14
Powietrze
0,024
2

E
2

hc
1
Prawo Kirchhoffa:
 A , T  5

hc
t
 exp
1
współczynnik
kT
rozkład
Plancka
absorpcji
Prawo Wiena:
max
C

T
C  2,9 103 m  K
Całkowita moc promieniowania opisana przez prawo StefanaBoltzmana:
E
P
 SAT 4
t
W
  5,67 10
m2K 4
8
W przypadku Ciała Doskonale Czarnego A(,T) = 1.
Gdy A = const to mamy do czynienia z Ciałem Doskonale
Szarym.
ABSORBCJA (A), ODBICIE (R), TRANSMISJA (T)
to procesy konkurencyjne
A + R + T= 1
E=A
Ale ciała nie tylko emitują promieniowanie, ale również je absorbują.
Ciało o temperaturze Tc znajdujące się w otoczeniu o temperaturze Tot
Emituje:
PEM
E

 SATc4
t
Absorbuje:
Efektywna energia cieplna wypływająca z ciała:

E
PAB 
 SATot4
t
H  PEM  PAB  SA Tc4  Tot4

Czyli człowiek w otoczeniu o temperaturze 22C emituje:
H  PEM


W
4
4
 PAB  2 m  5,67 10

310
K

295
K
 188 W
2 4
mK
2
8
Co daje w ciągu godziny 676,8 kJ – 1/3 tabliczki czekolady!!!
Praca jest mechanicznym odpowiednikiem
ciepła czyli jest również formą przekazu
energii pomiędzy dwoma ciałami.
W   Fx   pSx   pV
p
A
B
V
W3  W1  W2
Zmiana energii wewnętrznej układu wywoływana jest:
 ciepłem dostarczonym/odebranym układowi oraz
 pracą wykonaną w układzie.
U  Q  W
Jest to ogólna zasada zachowania energii w
układzie termodynamicznym.
Ciepło i praca zależą od konkretnego procesu,
energia wewnętrzna - NIE!
U  ncV T
Maszyny cieplne pracują w tzw. cyklu
zamkniętym, czyli stan końcowy cyklu jest taki
sam jak stan początkowy.
Wówczas U = 0 i
Q  W
Silniki:
ciepło  praca
Lodówki, pompy cieplne:
praca  ciepło
Ciepły
rezerwuar
QC  W  QZ
|Qc|
W  QC  QZ
Silnik
|Qz|
Zimny
rezerwuar
|W|
Sprawność silnika:
S 
W
QC
 1
QZ
QC
1
Adiabaty
Iskra
Tłok
 V2
 V1
  1  




 1
V1

R Th  Tc  ln 
 V 
2 


V1

RTh ln 
 V   CV Th  Tc 
2 

Th
Tc
Izotermy
Ciepły
rezerwuar
QC  W  QZ
|Qc|
Lodówka
W  QC  QZ
|W|
Sprawność lodówki:
L 
|Qz|
Zimny
rezerwuar
QZ
W
Sprawność pompy cieplnej:
 PC 
QC
W
 1 L 
1
S
Niemożliwe są następujące maszyny cieplne:
Kelvin:
Clausius:
Ciepły
rezerwuar
Ciepły
rezerwuar
|Qc|
Silnik
 = 100%
|Qc|
|W|
Lodówka
|Qz|
Zimny
rezerwuar