Wykład z Termodynamiki II semestr r. ak. 2009/2010

Transkrypt

1 Wykład z Termodynamiki II semestr r. ak. 2009/2010 Literatura do wykładu 1. F. Reif - "Fizyka Statystyczna- PWN K. Zalewski, - "Wykłady z termodynamiki fenomenologicznej i statystycznej- PWN K. Zalewski, - "Wykłady z mechaniki i termodynamiki statystycznej dla chemików- PWN C. Kittel, - "Physik der Wärme- John Wiley 1973, lub odpowiednik w innym języku. 5. A.K. Wróblewski, J.A. Zakrzewski, - "Wstęp do fizyki tom 1. PWN J.P. Holman, - Thermodynamics, Third edition, Mc GRAW-HILL BOOK COMPANY, Reinhard Kulessa 1

2 Termin Egzaminu Propozycja terminu egzaminu testowego koniec zajęć 14 czerwca egzamin Uprzejmie informuję, że egzamin z termodynamiki w I terminie odbędzie się w dniu 15,16,17??? czerwca 2011 r. w godzinach Reinhard Kulessa 2

3 Wykład 1 1 Wiadomości wstępne 1.1 Natura termodynamiki Wiadomo, że tak jak dawniej, tak również obecnie energia napędza społeczność ludzką. Wszystko co jest dostępne ludzkości, dobra, usługi, produkcja materialna jest w prostej zależności do ilości używanej na głowę energii. Termodynamika zajmuje się badaniem energii i jej przemian. Mogłoby to oznaczać, że termodynamika jest nauką najsilniej związaną z potrzebami człowieka Wiemy jak wiele jest różnych rodzajów energii. Wszystkie one mogą stać się przedmiotem rozważań termodynamicznych Reinhard Kulessa 3

4 Zobaczymy później, że prawa termodynamiki ograniczają ilość energii dostępnej dla wykonania pożytecznej pracy. To narzuca konieczność jak najbardziej wydajnego korzystania ze źródeł energii, używania tylko najbardziej wydajnych procesów przetwarzania energii. Znane nam są następujące rodzaje energii: elektryczna, magnetyczna, jądrowa, chemiczna, energia tarcia, zawarta w kwancie świetlnym. Ogólnie rzecz biorąc, termodynamika zajmuje się głównie dwoma rodzajami energii, ciepłem i pracą. Na początku wykładu omówimy krótko szeroki zakres zagadnień termodynamicznych Reinhard Kulessa 4

5 1.2 Związki pomiędzy mechaniką klasyczną a termodynamiką Zagadnienia mechaniki klasycznej obejmują takie pojęcia jak siła, masa, odległość, czas i inne. Siłę rozumiemy jako coś co ciągnie lub pcha, a matematycznie reprezentowane jest przez wektor. Mechanika opiera się na II prawie Newtona: F = d ( mv ) dt Do opisu zjawisk mechaniki stosuje się ciało swobodne na które działają wszystkie siły zgodnie z II zasadą dynamiki. System (układ) mechaniczny jest zdefiniowany przez współrzędne przestrzenne i prędkość Reinhard Kulessa 5

6 Oddziaływanie z otoczeniem jest opisane przez działanie sił. Stan układu jest opisany przez współrzędne przestrzenne, prędkość i jego zachowanie się. Zmiana stanu układu z jednego do drugiego jest opisany przez oddziaływanie z otoczeniem. Układ mechaniczny nie zmienia swego stanu bez działania siły zewnętrznej. Podczas, gdy w mechanice zajmujemy się wielkościami dynamicznymi, w termodynamice zajmujemy się porcjami energii. Układem w termodynamice nazywamy wyodrębnioną ilość materii. Materia pozostała poza układem stanowi otoczenie a granicę pomiędzy tymi dwoma stanami stanowi brzeg układu Reinhard Kulessa 6

7 Np. masa powietrza zamknięta w butli pod ciśnieniem stanowi układ, wewnętrzna ściana butli to brzeg układu, a sama butla i to co na zewnątrz stanowi otoczenie. Sprężone powietrze Brzeg układu Otoczenie Granice naszego układu mogą być rzeczywiste lub urojone Reinhard Kulessa 7

8 Stan układu termodynamicznego opisany jest przez współrzędne termodynamiczne. Zwykle nie możemy na początku podać wszystkich współrzędnych. Typowymi przykładami takich współrzędnych są temperatura, ciśnienie, objętość, gęstość, energia chemiczna, ilość substancji. Te współrzędne zwykle nazywamy własnościami układu. Rozważmy krótko niektóre z podanych współrzędnych TEMPERATURA = stan ciepłoty, gorąca Wolno poruszające się atomy lub cząsteczki maja niską temperaturę. Szybko poruszające się atomy lub cząsteczki maja wysoką temperaturę Reinhard Kulessa 8

9 Wysoka T v Niska T CIŚNIENIE = siła działająca na powierzchnię p = F A F A zderzenie ciężar Reinhard Kulessa 9

10 GĘSTOŚĆ = masa na jednostkę objętości ρ = m τ Duża gęstość Mała gęstość ILOŚĆ SUBSTANCJI = ile tego jest Liczba Avogadry tuzin.... gross Reinhard Kulessa 10

11 STANY SKUPIENIA Ciało stałe Ciecz Gaz Plazma Reinhard Kulessa 11

12 Stany skupienia materii ściśle zależą od wartości określonych współrzędnych termodynamicznych. Są nimi ciśnienie i temperatura. p p K p P Ciało stałe Punkt Potrójny Ciecz Para Punkt Krytyczny Gaz Plazma T P T K T Reinhard Kulessa 12

13 Zmiana układu termodynamicznego polega na zachodzeniu jakiegoś procesu przemiany. W termodynamice interesuje nas, jakim zmianom może podlegać układ na wskutek tych przemian. Jeśli chcemy opisać stan układu na każdym etapie przemiany, musimy być w stanie zdefiniować stan układu. Aby to móc zrobić musimy wprowadzić pojęcie równowagi układu. Układ jest w równowadze, jeśli np. jego ciśnienie, temperatura i gęstość są jednorodne. Definicja ta jednak nie jest pełna. Aby móc określić współrzędne termodynamiczne układu, musi on znajdować się w równowadze Reinhard Kulessa 13

14 Interesują nas przemiany będące ciągiem (łańcuchem) stanów równowagi. W takiej przemianie potrafimy zdefiniować układ na każdym etapie. Procesy takie nazywamy odwracalnymi lub kwazistatycznymi. Proces odwracalny jest to proces który może przebiegać w obydwie strony nieskończenie długo bez strat. Proces nieodwracalny jest to taki w którym mamy do czynienia ze stratą energii. Przyczynami takich strat mogą być: Tarcie, spadki napięcia, temperatury, ciśnienia i stężenia. Przykładem procesu nieodwracalnego jest pęknięcie nadmuchanego balonika Reinhard Kulessa 14

15 X Proces nieodwracalny, chyba Że dostarczy się energii Dobrym przykładem na proces odwracalny lub nieodwracalny jest wymiana dewiz. Jest to proces odwracalny zakładając stały kurs i brak opłaty, a nieodwracalny w przypadku pobierania opłaty za wymianę Reinhard Kulessa 15

16 1.3 Temperatura, ciepło i zerowa zasada termodynamiki Zwykle przyjmuje się, że rozumiemy pojęcie ciepła i temperatury. Termodynamika zajmuje się badaniami mającymi na celu precyzyjne rozumienie tych pojęć. Zwykle intuicyjne pojmowanie temperatury kiedy czegoś dotykamy wiąże się z transportem energii lub wymianą ciepła. Można więc wywnioskować, że pomiędzy dwoma ciałami o tej samej temperaturze nie ma wymiany ciepła. Równość temperatury nie wystarcza do stworzenia bezwzględnej skali temperatur. Pojęcie równości temperatur ujmuje tzw. zerowa zasada termodynamiki. Mówi ona, że: Reinhard Kulessa 16

17 Jeśli dwa ciała są w równowadze termicznej z ciałem trzecim, to są również w równowadze wzajemnej. Warunkiem pełnej równowagi tych ciał jest również równość ich ciśnień, brak reakcji chemicznych przy doprowadzeniu tych ciał do kontaktu. Ciepło jest strumieniem energii wynikającym z różnicy temperatur Na następnej stronie pokazany jest przykład pojawienia się przepływu ciepła Reinhard Kulessa 17

18 T 1 temperatura w pręcie T 2 T 1 > T 2 T 1 T 2 ciepło Kule i pręt miedziany Reinhard Kulessa 18

19 1.4 Skale temperatur Używaną na co dzień skalą temperatur jest skala Celsjusza( 0 C). Absolutną termodynamiczną skalą odpowiadającą skali Celsjusza jest skala Kelvina(K). Inną skalą jest skala Farenheita( 0 F), dla której skalą absolutną jest skala Rankine a( 0 R). Dla skali Kelvina i Rankine a zro absolutne jest takie same; C. 0 F = /5 0 C 0 R = 0 F K = 0 C R = 9/5 K Na następnej stronie przedstawione są niektóre punkty termometryczne dla skali Celsjusza Reinhard Kulessa 19

20 Ciśnienie normalne p 0 = N/m 2 1 Punkt potrójny wodoru Punkt wrzenia wodoru Punkt wrzenia wodoru pod p Punkt wrzenia neonu pod p Punkt potrójny tlenu Punkt wrzenia tlenu p Punkt potrójny wody Punkt wrzenia wody p Punkt krzepnięcia cynku Punkt krzepnięcia srebra Punkt krzepnięcia złota Reinhard Kulessa 20

21 1.5 Pojęcie stanu układu Wiemy z obserwacji, że pewne własności materii są funkcjonalnie związane ze sobą: rozszerzalność cieplna temperatura ciśnienie objętość i temperatura Stwierdziliśmy, że stan układu możemy określić gdy znajduje się on w warunkach równowagi. Zachodzi pytanie ilu współrzędnych potrzebujemy aby tego dokonać. W mechanice dla opisania pozycji na płaszczyźnie wystarczą dwie współrzędne w układzie kartezjańskim, a w przestrzeni trzy. Stan lub pozycja cząstki jest w pełni oddana przez współrzędne układu kartezjańskiego. Jeśli jednak chcemy opisać stan dynamiczny układu, musimy podać współrzędne prędkości Reinhard Kulessa 21

22 W termodynamice występować będą pewne pierwotne własności konieczne do określenia stanu układu, podczas gdy pozostałe będą funkcjonalnie od nich zależne. Liczbę pierwotnych parametrów koniecznych do określenia stanu układu możemy uzyskać tylko z doświadczenia. Dla gazu idealnego do określenia jego stanu wystarczą dwie z pośród trzech wielkości, ciśnienia, temperatury i objętości Reinhard Kulessa 22