Stany skupienia materii

Transkrypt

1 Stany skupienia materii Ciała stałe Ciecze Płyny Gazy Plazma 1

2 Stany skupienia materii Ciała stałe - ustalony kształt i objętość - uporządkowanie dalekiego zasięgu - oddziaływania harmoniczne Ciecze - słabo ściśliwe - uporządkowanie bliskiego zasięgu - tworzą powierzchnię swobodna Gazy - cząsteczki poruszają się swobodnie - oddziaływanie jedynie w wyniku zderzeń - duża ściśliwość Płyny Siła styczna do powierzchni płynu (naprężenie ścinające) powoduje odkształcenie (płynięcie)

3 Szkła Przechłodzona ciecz, w której ruchy uległy zamrożeniu Tzw. przejście szkliste: czas potrzebny na zmianę konfiguracji cząsteczek (czas relaksacji) jest rzędu minut lub dłuższy T g szkła używanego w oknach katedr wynosi ok. 600 C, a czas relaksacji sięga 10 3 lat. 3

4 Plazma Zjonizowana materia (ogrzewanie gazu lub pod wpływem silnego pola elektrycznego) Cząstki naładowane ale całość obojętna Dobrze przewodzi prąd Podobnie jak gaz nie ma kształtu (pojemnik) 4

5 TERMODYNAMIKA 5

6 Temperatura Wielkość Nazwa Symbol Długość metr m Masa kilogramkg Czas sekunda s Natężenieprąduelektrycznego amper A Temperaturatermodynamicznakelwin K Ilość materii mol mol Światłość kandela cd Jednostki uzupełniająceużywanewukładziesi Kąt płaski radian rad Kąt bryłowy steradiansr Tuż po Wielkim Wybuchu temperatura K Teraz ok. 3K 6

7 Temperatura Istnieje wielkość skalarna zwana temperaturą, która jest właściwością wszystkich ciał izolowanego układu termodynamicznego pozostających w równowadze wzajemnej. Równowaga polega na tym, że każde z ciał tyle samo energii emituje (wysyła) co pochłania. Temperatura każdego ciała układu pozostaje taka sama. Równość temperatury jest warunkiem koniecznym i wystarczającym równowagi termicznej. Jeśli ciało A jest w równowadze termicznej z ciałem B i z ciałem C to ciało B jest w równowadze z ciałem C. Zerowa zasada termodynamiki Temperatura empiryczna układu jest taką wielkością, która osiąga tę samą wartość dla wszystkich podukładów będących ze sobą w kontakcie termicznym. 7

8 Temperatura Istnieje wielkość skalarna zwana temperaturą, która jest właściwością wszystkich ciał izolowanego układu termodynamicznego pozostających w równowadze wzajemnej. Równowaga polega na tym, że każde z ciał tyle samo energii emituje (wysyła) co pochłania. Temperatura każdego ciała układu pozostaje taka sama. Zerowa zasada termodynamiki Wiele właściwości fizycznych zmienia się wraz z temperaturą np. długość, objętość, opór elektryczny, ciśnienie.. 8

9 9

10 Termometr Termometr gazowy stałej objętości T T P w P w ciśnienie ciśnienie pomiar wzorca temperatura wzorca (np. punkt potrójny wody) p 0 p ρ gh Wiele właściwości fizycznych zmienia się wraz z temperaturą np. długość, objętość, opór elektryczny, ciśnienie 10

11 Termometr gęstość napięcie objętość długość Wiele właściwości fizycznych zmienia się wraz z temperaturą Długość fali emitowanego promieniowania 11

12 Skale temperatury 1 Kelwin 1/73,16 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. 1

13 Temperatura i ciepło E=E K +E P +U Energia wewnętrzna Przemiana przejście z jednego stanu równowagi do drugiego pod wpływem czynnika zewnętrznego. Q [J] - Ciepło jest energią przekazywaną między układem a jego otoczeniem na skutek istniejącej między nimi różnicy temperatur na sposób cieplny przez chaotyczne ruchy cząsteczkowe. 13

14 Temperatura i ciepło Q [J] - Ciepło jest energią przekazywaną między układem a jego otoczeniem na skutek istniejącej między nimi różnicy temperatur na sposób cieplny przez chaotyczne ruchy cząsteczkowe. 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 14

15 Pojemność cieplna Q=C T=C(T K -T P ) Q=c m T=c m(t K -T P ) Pojemność cieplna [J K -1 ] Pojemność cieplna C danego ciała jest ilością energii potrzebną do podniesienia jego temperatury o 1K. Jednostką jest J K -1. Q=c mol n T Ciepło właściwe Ciepło molowe 15

16 Pojemność cieplna Q=c m T=c m(t K -T P ) Ciepło właściwe m c m c W T T m c T 0 1 W K 1 W K T W T T m c T T 0 K W Fe Fe K Fe 16

17 Ciepło przemian Q=c przem m Stopienie wymaga dostarczenia energii (zerwanie wiązań). Krystalizacja wymaga odebrania energii. Parowanie wymaga dostarczenia energii, a skraplanie jej odebrania. 17

18 Ciepło przemian Q=c przem m Stopienie wymaga dostarczenia energii (zerwanie wiązań). Krystalizacja wymaga odebrania energii. Parowanie wymaga dostarczenia energii, a skraplanie jej odebrania. 18

19 Ciepło przemian Radiator z tzw. kanałem cieplnym (heat pipe) 19

20 Kalorymetr Kalorymetr służy pomiaru ciepła wydzielanego lub pobieranego podczas procesów chemicznych i fizycznych Krystalizacja (ciepło oddawane) Kalorymetr różnicowy Topnienie (ciepło pobierane) 0

21 Temperatura i ciepło Q [J] - Ciepło jest energią przekazywaną między układem a jego otoczeniem na skutek istniejącej między nimi różnicy temperatur na sposób cieplny przez chaotyczne ruchy cząsteczkowe. Znak: + z otoczenia do układu - z układu do otoczenia E=E K +E P +U 1

22 Kinetyczna teoria gazów Mikroskopowy model ciśnienia gazu wzór na ciśnienie gazu Mikroskopowa interpretacja temperatury Średnia energia cząsteczki gazu zasada ekwipartycji energii Rozkład prędkości cząsteczek Maxwella- Boltzmana

23 Kinetyczna teoria gazów GAZ 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

24 Równanie stanu gazu Opisuje parametry termodynamiczne dla dowolnego stanu gazu doskonałego pv=nrt Stała gazowa - 8,31 J/mol K pv=nk B T Stała Boltzmana J K -1 k B R N A Liczba rozważanych cząsteczek gazu jest bardzo duża. Średnia odległość między cząsteczkami jest znacznie większa niż ich rozmiar. Cząsteczki znajdują się w ciągłym, przypadkowym ruchu cieplnym. 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. 4

25 Kinetyczna teoria gazów Δp x p kx p px m x m x m Δp x msinα Siła oddziaływania (II z.d.n) p l x F Δt x t x F Cx Zmiana pędu cząsteczki Pęd przekazany ściance Δpx m x m l F x1 x m l Siła oddziaływania wszystkich cząsteczek x x... xn x 5

26 Kinetyczna teoria gazów Cząsteczki znajdują się w ciągłym, przypadkowym ruchu cieplnym. Rozkład ich prędkości nie zmienia się w czasie. x F Cx m l N i1 N x1 xi x... xn Prędkość średnia kwadratowa Prędkości cząstek wynoszą: 0, 1,, 3, 3, 3, 4, 4, 5, 6 m/s 6

27 Kinetyczna teoria gazów Cząsteczki znajdują się w ciągłym, przypadkowym ruchu cieplnym. Rozkład ich prędkości nie zmienia się w czasie. F Cx m l x1 x... xn x N i1 N xi F x x x y y z z Nm 3l x x y C 3 3 z 3 x 7

28 Kinetyczna teoria gazów F x ciśnienie Nm 3l p F l x Nm 3l 3 pv p nrt mn μ RT V 3RT μ 8