Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Transkrypt

1 w poprzednim odcinku 1

2 Kinetyczna teoria gazów AZ DOSKONAŁY Liczba rozważanych cząsteczek gazu jest bardzo duża. Średnia odległość między cząsteczkami jest znacznie większa niż ich rozmiar. Cząsteczki znajdują się w ciągłym, przypadkowym ruchu. Rozkład ich prędkości nie zmienia się w czasie. Cząsteczki zderzają się sprężyście ze sobą i ze ściankami naczynia, w którym się znajdują. Nie oddziałują ze sobą w inny sposób.

3 Kinetyczna teoria gazów F x ciśnienie Nmv 3l p F l x Nmv 3 3l pv Nk B T N 3 mv N 3 E k E k 3 k B T Nie zależy od masy i rodzaju cząstek Zależy od temperatury Temperatura jest miarą ruchu cieplnego cząstek Temperatura jest funkcją średniej energii kinetycznej cząsteczek. 3

4 Ciepło i praca dw F dl ps dl psdl p dv W dw V V k p pdv W p ΔV 4

5 I zasada termodynamiki ciepło dostarczone do układu ΔU E WK E WP W praca wykonana przez układ δu d δw Energia wewnętrzna układu U wzrasta, jeśli układ pobiera energię w postaci ciepła i maleje, kiedy układ wykonuje pracę W δ du δw Dostarczone do układu ciepło δ powoduje zwiększenie energii wewnętrznej układu o du i wykonanie przez układ pracy δw przeciwko siłom zewnętrznym. 5

6 Przemiany gazowe 6

7 Stan termodynamiczny Układ termodynamiczny jest układ bardzo wielu wzajemnie niezależnych elementów (atomów, cząsteczek,..). Praktycznie oznacza to każdy makroskopowy układ zawarty wewnątrz pewnej powierzchni. Stan układu jest opisany przez podanie jego funkcji stanu (parametrów termodynamicznych) (np. p, T, V, N, U, S ) WAŻNE! Znając funkcje stanu (np. p, V) w układzie zamkniętym można wyznaczyć pozostałe funkcje tzn., że U=U(p,V), S=S(p,V), T=T(p,V) pv=nrt 7

8 az doskonały / rzeczywisty AZ DOSKONAŁY pv=nrt Liczba rozważanych cząsteczek gazu jest bardzo duża. Średnia odległość między cząsteczkami jest znacznie większa niż ich rozmiar. Cząsteczki znajdują się w ciągłym, przypadkowym ruchu. Rozkład ich prędkości nie zmienia się w czasie. Cząsteczki zderzają się sprężyście ze sobą i ze ściankami naczynia, w którym się znajdują. Nie oddziałują ze sobą w inny sposób. Model gazu doskonałego zawodzi w przypadku niskich temperatur i dużych ciśnień 8

9 az rzeczywisty AZ van dr Waalsa a,b parametry zależne od gazu Model gazu doskonałego zawodzi w przypadku niskich temperatur i dużych ciśnień 9

10 Maszyny cieplne cel: zamiana ciepła na pracę (i odwrotnie) pracują cyklicznie pracę wykonuje substancja robocza (np. gaz, mieszanka paliwa i powietrza) która: pochłania ciepło dostarczane ( ) ze źródła ciepła o wyższej temperaturze (T ) część pochłoniętego ciepła przekształca w pracę (W) reszta pochłoniętego ciepła ( Z ) przekazywana jest do chłodnicy o niższej temperaturze (T Z ) aby zachowana była cykliczność procesu powrót do stanu początkowego 10

11 Maszyny cieplne Maszyny cieplne Maszyny realizują cykl termodynamiczny proces lub szereg procesów, które doprowadzają układ termodynamiczny z powrotem do warunków początkowych cykle odwracalne (doskonała izolacja cieplna, brak tarcia i innych oporów ruchu, tzn. otocznie też ma stan odwracalny, np. nie nagrzewa się od tarcia itp.) cykle nieodwracalne 11

12 Procesy termodynamiczne Procesy odwracalne Proces jest odwracalny, jeśli za pomocą małej (różniczkowej) zmiany parametrów otoczenia można wywołać proces odwrotny Proces jest odwracalny, jeśli po przejściu przez niego najpierw w normalnym, a następnie w przeciwnym kierunku, zarówno układ jak i otoczenie zewnętrzne wracają do stanu wyjściowego Procesy nieodwracalne Proces nie spełniający warunków odwracalności kiedy procesowi towarzyszy rozpraszanie energii np. na skutek tarcia kiedy proces przebiega bardzo gwałtownie procesy jednokierunkowe (które nie mogą zachodzić odwrotnie) Proces izotermicznego sprężania/rozprężania (T=const.) jest procesem odwracalnym jeśli przeprowadzany jest bardzo powoli staramy się aby układ był w stanie tylko lekko odbiegającym od stanu równowagi termodynamicznej przepływ ciepła nie jest spowodowany przez różnicę temperatur 1

13 Sprawność maszyn cieplnych Cykl: proces lub szereg procesów które doprowadzają układ termodynamiczny z powrotem do warunków początkowych. Silnik cieplny (silnik) pobiera energię z otoczenia (ciepło) i wykonuje użyteczną pracę Sprawność cyklu η definiujemy jako stosunek pracy użytecznej W wykonanej przez gaz do ciepła dostarczonego do gazu w danym cyklu. Sprawność W Wykonana praca Dostarczone ciepło ΔU 0 wracamy do tego samego stanu η W Z 13

14 Sprawność maszyn cieplnych Ciepło nie może być całkowicie zamienione na pracę! Sprawność 100% maszyny cieplnej nie może być osiągnięta! Sprawność W Wykonana praca Dostarczone ciepło ΔU 0 η W Z 14

15 Cykl Carnot Sprawność cyklu η definiujemy jako stosunek pracy użytecznej W wykonanej przez gaz do ciepła dostarczonego do gazu w danym cyklu. Najwyższą sprawność osiągamy dla cyklu Carnot Sprawność W Wykonana praca Dostarczone ciepło ΔU 0 η W Z 15

16 Cykl Carnota η W Z 1 Z 16

17 Cykl Carnota η W Z 1 Z η T T T Z 17

18 Cykl Carnot Sprawność cyklu η definiujemy jako stosunek pracy użytecznej W wykonanej przez gaz do ciepła dostarczonego do gazu w danym cyklu. Najwyższą sprawność osiągamy dla cyklu Carnot η T T T Z η 1 T T Z Sprawność ΔU 0 η W Z W Wykonana praca Dostarczone ciepło 18

19 Cykl gazowy 19

20 Cykl Otta 0

21 Cykl Otta η 1 V V 1 R C V 1

22 Cykl Diesla η 1 1 V κ V 3 κ 1 V1 V 1 V V 1 κ

23 Cykl Stirlinga η 1 ηc c n R lnv V V 1 η C 3

24 Cykl Stirlinga 4

25 Cykl Stirlinga 5