Układ termodynamiczny

Transkrypt

1 Uład terodynaiczny Uład terodynaiczny to ciało lub zbiór rozważanych ciał, w tóry obo wszelich innych zjawis (echanicznych, eletrycznych, agnetycznych itd.) uwzględniay zjawisa cieplne. Stan uładu charateryzuje własności uładu, oreślony jest przez wartości paraetrów stanu. Stan równowagi to tai stan uładu, w tóry paraetry stanu ają stałe, oreślone wartości. W stanie równowagi paraetry stanu uładu nie zieniają się o ile nie zieniają się waruni zewnętrzne, w jaich znajduje się uład. Energia zgroadzona w uładzie, tóry jest w stanie równowagi to jego energia wewnętrzna. uład terodynaiczny p, V, T U paraetry stanu energia wewnętrzna Energia całowita uładu E jest suą energii: inetycznej E, potencjalnej E p i wewnętrznej U. E E + E p + U

2 Proces terodynaiczny Przeiana albo proces to przechodzenie uładu z jednego stanu równowagi (stan 1) do drugiego (stan 2). Przejściu uładu z jednego stanu równowagi (1) do drugiego (2) towarzyszy ziana energii wewnętrznej. U U 2 U 1 proces terodynaiczny p 1, V 1, T 1 p 2, V 2, T 2 U 1 U 2 U 1 + U stan (1) stan (2) Energię ożna przeazywać ciało w różny sposób. Przeazywanie energii w postaci ciepła nazyway dostarczanie ciepła ciału, a w postaci pracy wyonywanie pracy nad dany ciałe. Ciepło i pracę ierzyy w tych saych jednostach. W uładzie SI jest to dżul 1.

3 Bilans cieplny W izolowany uładzie terodynaiczny ciał o różnych teperaturach obowiązuje zasada bilansu cieplnego. ciepło pobrane przez ciało o niższej teperaturze Q pobrane Q oddane ciepło oddane przez ciało o wyższej teperaturze Dostarczanie ciepła ciału prowadzi do ziany jego teperatury lub ziany jego stanu supienia (przeiany fazowe). ciepło pobrane (oddane) podczas ogrzewania (ochładzania) ziana teperatury Q c T C n M T n M M asa ciała asa olowa ciepło właściwe asa ciała ciepło olowe ilość oli ciepło pobrane (oddane) podczas ziany stanu supienia ciepło przeiany (topnienia, parowania itd.) Q c z asa ciała

4 I zasada terodynaii Nieożliwe jest sonstruowanie silnia, tóry pracowałby bez pobierania energii z otoczenia. Tai hipotetyczny silni nazwano perpetuu obile I-go rodzaju. Nieiedy forułuje się pierwszą zasadę terodynaii jao nieożliwość sonstruowania perpetuu obile pierwszego rodzaju. Q > 0 ciepło pobrane W > 0 praca nad ułade uład terodynaiczny W < 0 praca uładu Q < 0 ciepło oddane Ciepło Q pobrane przez uład terodynaiczny zostaje zużyte na zwięszenie energii wewnętrznej uładu i na wyonanie przez uład pracy. 2 1 U U U W + Q

5 Gaz dosonały Dla charaterystyi gazu dosonałego przyjujey, że 1. Gaz słada się z identycznych cząstecze. 2. Cząsteczi poruszają się chaotycznie i podlegają prawo dynaii Newtona. 3. Siły działają na cząsteczi tylo w oentach zderzeń. 4. Zderzenia są sprężyste, a czas ich trwania ożna poinąć. 5. Całowita liczba cząstecze jest bardzo duża. 6. Objętość cząstecze jest zaniedbywalnie ała w porównaniu z objętością gazu. Każdy gaz rzeczywisty (rozrzedzony, pod ały ciśnienie) a właściwości zbliżone do gazu dosonałego. Stan danej asy gazu oreślony jest przez wartości trzech paraetrów: ciśnienia p, objętości V i teperatury T, ujętych równanie stanu. Równanie stanu (równanie Clapeyrona) gazu dosonałego a postać: p V nm R T

6 Gaz dosonały Równanie stanu, oznaczenia objętość ciśnienie liczba oli p V n R T M n M M teperatura bezwzględna asa ciała asa olowa stała gazowa R N A R 8, 31 ol K stała Boltzanna 1, K liczba Avogadro 23 1 N A 6, ol C p CV R

7 Przyłady Zadanie 1 aą objętość zajuje jeden ol gazu dosonałego przy ciśnieniu p Pa i teperaturze T C? 2 R T0,31 273,15 ol K V0 22,4 10 p K N ol Zadanie 2 Porcja gazu dosonałego o paraetrach początowych p 0, V 0, T 0 poddana została przeianie w wyniu, czego objętość wzrosła czterorotnie, a ciśnienie zalało dwurotnie. a zieniła się teperatura tej porcji gazu? p0v T 0 0 pv T V 4V 0 p p 0 więc T 2T0 2 Zadanie 3 Podgrzano gaz dosonały w zanięty naczyniu dostarczając ciepło Q. a zieniła się przy ty energia wewnętrzna gazu? Gaz podgrzano w zanięty naczyniu, więc całe ciepło pobrane poszło na zwięszenie energii wewnętrznej. U Q

8 Przyłady Zadanie 4 Do jednego litra wody o teperaturze 20 0 C doleway jeden litr wody o teperaturze C. Teperatura zieszanej wody wynosi 60 0 C. Oblicz ile ciepła pobrała woda zina oraz ile ciepła oddała woda gorąca. g Znane są dla wody wartości: gęstość ρ , ciepło właściwe c w 4190 g K Masa wody ρ V Q c T T Q pobrane Qoddane 167, 6 Q pobrane oddane c w w ( 3 1 ) ( T T ) 2 3 Zadanie 5 Do naczynia ze śniegie o teperaturze 0 0 C wleway 0,5 g gorącej wody o teperaturze C. Oblicz asę stopionego śniegu. Ciepło właściwe wody c w 4190 i ciepło topnienia lodu (śniegu) g K c t 3 g Ciepło potrzebne do stopienia asy x lodu (i śniegu) Ciepło pobrane przez śnieg Q cw ( ) Stąd c ( t t ) w 2 1 x ct t 2 t 1 Q x c t

9 Zadania do saodzielnego rozwiązania. Zadanie 1 Ogrzano powietrze w balonie w wyniu czego jego objętość oraz ciśnienie zwięszyły się dwurotnie. Oblicz zianę teperatury powietrza jeśli teperatura początowa wynosiła -3 0 C. Zadanie 2 Pewna asa gazu zajuje objętość V 1 przy teperaturze T 1. Oblicz teperaturę T 2 połowy tej asy gazu przy objętości V 2 i przy ty say ciśnieniu. Zadanie 3 Gęstość azotu przy teperaturze T wynosi ρ. aie ciśnienie p wywiera azot na ściani naczynia? Zadanie 4 Oblicz ile śniegu o teperaturze 0 0 C oże stopić jeden ilogra pary wodnej o teperaturze C. 3 Ciepło topnienia lodu 3 c t Ciepło sraplania pary c s g g Zadanie5 aą pracę trzeba wyonać aby stopić przez tarcie 1g lodu o teperaturze 0 0 C? 3 Ciepło topnienia lodu c t g