p, V, T, U, S, H, F, G Parametry mikroskopowe Parametry makroskopowe 2 k

Transkrypt

1

2 Parametry mikroskoowe m, < v>, < v >, < E > Fizyka statystyczna k Fizyka statystyczna stara się oisać układy składające się z wielu cząstek. Zajmuje się ona badaniem arametrów mikroskoowych układów, oszukiwaniem ich wartości średnich oraz wiązanie z tymi wartościami średnimi arametrów makroskoowych oisujących układ jako całość. Parametry makroskoowe,,, U, S, H, F, G ermodynamika fenomenologiczna ermodynamika zajmuje się związkami między wielkościami fizycznymi obserwowanymi w doświadczeniu, a nie zajmuje się rzyczyną tych związków. Zaniedbuje ona mikroskoową budowę ciał.

3 Masa atomowa (cząsteczkowa) - to stosunek masy atomu danego ierwiastka chemicznego (cząsteczki związku chemicznego) do masy / atomu węgla. Mol - jest taką ilością danej substancji, która zawiera liczbę atomów (cząsteczek) równą liczbie atomów w gramach (0.0kg) węgla Liczba vogadro - to liczba atomów bądź cząsteczek w jednym molu substancji. Określona doświadczalnie liczba ta wynosi: N = 6, mol Warunki normalne - określone są rzez: wartość ciśnienia równą: 0 = atm = 760mmHg = 035Pa oraz wartość temeratury równą: 0 = 73,5K = 0 o

4 nders elsius nders elsius w roku 74 zbudował swój ierwszy termometr rtęciowy. by mierzyć temeraturę musiał rzyjąć jakąś skalę omiarową. Skala, którą zaroonował elsius była odwrotna do wsółczesnej. Naukowiec ten rzyjął jako zero temeraturę wrzenia wody (obecnie zerem jest temeratura jej krzenięcia), a jako sto stoni wybrał unkt, w którym woda zamarza (wsółcześnie za 00 rzyjęto unkt wrzenia). Oznacza to, że w ierwotnej skali elsiusa temeratura okojowa odowiadała 80 stoniom (dziś 0). emeratura ciała człowieka w tej ierwotnej skali wynosiła 63,4 stonia (wsółcześnie 36,6). Podczas mroźnego oranka ierwszy termometr elsiusa mógł wskazywać 0 stoni (obecnie -0) szwedzki fizyk i astronom Od 774 do 954 stoień skali elsjusza zdefiniowany był jako jedna setna różnicy temeratur tonienia lodu i wrzenia wody rzy ciśnieniu normalnym jednej atmosfery fizycznej. Zero na skali elsjusza rzyorządkowano temeraturze tonienia lodu. 00 stoniom elsjusza odowiadała temeratura wrzenia wody w warunkach normalnych. Definicja ta cały czas jest w owszechnym użyciu i naucza się jej w szkołach. Obecnie skala elsjusza jest zdefiniowana rzez Międzynarodowe iuro Miar i Wag orzez temeraturę zera bezwzględnego ( 73,5 ) oraz temeraturę unktu otrójnego wody SMOW (0,0 ), a zatem stoień elsjusza to /73,6 tego rzedziału.

5 William homson,. aron Kelvin Kelwin jednostka temeratury w układzie SI równa /73,6 temeratury termodynamicznej unktu otrójnego wody, oznaczana K. Definicja ta odnosi się do wody o nastęującym składzie izotoowym: 0, mola H na jeden mol H, 0, mola 7 O na jeden mol 6 O i 0,00005 mola 8 O na jeden mol 6 O. Skala Kelvina (skala bezwzględna) jest skalą termometryczną absolutną, tzn. zero w tej skali oznacza najniższą teoretycznie możliwą temeraturę, jaką może mieć ciało. Jest to temeratura, w której (według fizyki klasycznej) ustały wszelkie drgania cząsteczek. emeratury tej nie da się jednak osiągnąć obliczono ją na odstawie funkcji uzależniającej temeraturę od energii kinetycznej w gazach doskonałych. Funkcję tę oracował William homson, lord Kelvin, na którego cześć nazwano skalę i jednostkę temeratury brytyjski fizyk ochodzenia irlandzkiego, matematyk oraz rzyrodnik. Podał własne sformułowanie drugiej zasady termodynamiki, badał elektryczność i magnetyzm.

6 Daniel Gabriel Fahrenheit Fahrenheit wzorował się odczas jej oracowania na skali, którą oracował Ole Rømer; oznał go nawet osobiście. Skala Rømera oiera się na czterech wartościach: temeraturze zamarzania solanki (0 Rø), zamarzaniu wody (7,5 Rø), temeratury ludzkiego ciała (,5 Rø) i temeraturze wrzenia wody (60 Rø). Fahrenheit ostanowił zwiększyć recyzję swojej skali, mnożąc wartości Rømera rzez 4 oraz onownie ją kalibrując. Przyjął trzy unkty odniesienia dla swojej skali: 0 F temeraturę zamarzania mieszaniny wody, lodu i salmiaku w roorcjach ::, 3 F temeraturę lodu i wody w roorcjach :, 96 F temeraturę ludzkiego ciała (3 razy wyższa niż temeratura zamarzania wody, 3 3 F = 96 F). W 74 roku ustalił temeraturę wrzenia wody na F, 80 więcej niż mieszanki wody i lodu, jako ważniejszą w nauce niż temeratura ludzkiego ciała. Od tego czasu temeratura ciała człowieka wynosi 98,6 F holenderski fizyk i inżynier ochodzący z Gdańska. Większość okresu naukowego sędził w Niderlandach. Wynalazca termometru rtęciowego, twórca skali temeratur używanej w niektórych krajach anglosaskich.

7 Kelvina = [ t c + 73,5 ] K elsjusza t c = [ 73,5 ] o Fahrenheita t F = [,8 459,67] o F Rankine'a t Rank = [,8 ] o Rank Reaumura t R = [ 0,8 8,5] o R Helowa reakcja termojądrowa 0 8 Wnętrze Słońca 0 7 Powierzchnia Słońca 60 3 onienie wolframu 3,60 3 onienie ołowiu 60 Zamarzanie wody,70 Skralanie tlenu 90 Skralanie wodoru 0 Skralanie helu ( 4 He) 4, Skralanie helu ( 3 He) rzy najniższym osiągalnym ciśnieniu 30 - diabatyczne rozmagnesowanie soli aramagnetycznych 0-3 diabatyczne rozmagnesowanie jąder atomowych 0-6

8 stonie swobody zesół niezależnych zmiennych koniecznych i wystarczających do oisu stanu układu fizycznego w każdej chwili; i = 3 gaz jednoatomowy i = 5 gaz dwuatomowy, i = 6 gaz wieloatomowy liczba stoni swobody układu mechanicznego złożonego z n unktów materialnych jest równa f = 3n ( liczba więzów), bryły sztywnej f = 6 E k i k E k k J K i k 3 k m v 3k E k m v

9 ieło jest energią termiczną rzekazywaną omiędzy układem a jego otoczeniem wskutek istniejącej omiędzy nimi różnicy temeratur. cal 4,868 J 3, tu Kaloria (łac. calor cieło) historyczna jednostka cieła, obecnie, gdy cieło jest utożsamiane z energią, jest ozaukładową jednostką energii (skrót cal); często używana jest jednostka wielokrotna kilokaloria (skrót kcal); kcal = 000 cal. Kaloria Dawniej definiowana jako ilość cieła otrzebna do odgrzania, od ciśnieniem atmosfery, g czystej chemicznie wody o od temeratury 4,5 do 5,5. cal = 4,855 J W 99 roku wrowadzono kalorię międzynarodową (obecnie używany w fizyce rzelicznik): cal = 4,868 J

10 Zerowa zasada termodynamiki Jeśli ciała i są w równowadze termicznej z trzecim ciałem (), to są one w równowadze termicznej ze sobą nawzajem. Warunkiem koniecznym i wystarczającym równowagi termicznej jest równość temeratur.

11 UKŁD ewna część rzyrody (wszechświata), która jest rzedmiotem rozważań. OOZENIE wszystko to, co znajduje się oza układem. GRNI UKŁDU łaszczyzna fizyczna lub granica omyślana oddzielająca układ od otoczenia. RODZJE UKŁDÓW Układ OWRY Układ ZMKNIĘY Układ IZOLOWNY

12 Stan układu - charakteryzuje własności układu i określony jest orzez wartości arametrów stanu. Parametrami stanu układu termodynamicznego nazywamy minimalną liczbę arametrów konieczną do ełnego oisu układu. Parametry makroskoowe są mierzone odowiednimi rzyrządami. n' ilość moli materii ciśnienie objętość =h*s h temeratura S Wewnętrzne arametry stanu możemy odzielić na: ekstensywne - roorcjonalne do masy układu (masa, objętość, energia wewnętrzna) intensywne - nie zależą od masy (temeratura, ciśnienie, gęstość)

13 Stan równowagowy układu - stan, w którym wszystkie arametry stanu mają określone wartości i ozostają niezmienne, jeśli nie zmieniają się warunki zewnętrzne, w jakich znajduje się układ. Każdy unkt na wykresie to stan równowagowy Stan nierównowagowy układu - stan, w którym jeden z arametrów nie ma określonej wartości. Relaksacja - rzemiana, w którym układ rzechodzi ze stanu nierównowagowego do stanu równowagi.

14 Faza część lub całość układu, która wykazuje w całej swej masie jednakowe własności fizyczne i chemiczne (w szczególności jednakowe równanie stanu) i jest odgraniczona wyraźnie od reszty układu (otoczenia). Liczba faz w układzie zależy od arametrów stanu (,, c,, M, etc. ). Przemiana fazowa samorzutna rzemiana jednej fazy w drugą

15 UKŁD HOMOGENIZNY ( jednorodny ) HEEROGENIZNY ( niejednorodny ) UKŁD JEDNOSKŁDNIKOWY WIELOSKŁDNIKOWY UKŁD JEDNOFZOWY WIELOFZOWY

16 Przykłady układ jednoskładnikowy trójfazowy ara wodna lód woda układ dwuskładnikowy dwufazowy nasycony roztwór Nal w wodzie kryształy Nal układ dwuskładnikowy dwufazowy benzen układ dwuskładnikowy jednofazowy woda tlen azot

17 Przemiana oznacza zmianę stanu układu - odczas rzemiany układ rzechodzi rzez ciąg stanów nierównowagowych. Pod rzesuwającym się tłokiem owstaje oduszka gazowa o ciśnieniu większym niż w ozostałej części naczynia. Przemiana kwazistatyczna - to taki roces, który może być traktowany jako ciąg stanów równowagowych. Przemiana kwazistatyczna owinna zachodzić nieskończenie owoli.

18 Przemiana odwracalna - to taki roces, który może rzebiegać w odwrotną stronę. Jeśli układ rzechodzi od stanu do stanu rzechodząc rzez ciąg stanów ośrednich, to możliwe jest także rzejście ze stanu do stanu w ten sosób, że układ rzechodzi rzez te same stany ośrednie, ale w odwrotnej kolejności. Przemiany kwazistatyczne są rzemianami odwracalnymi. Przemiana kołowa (cykl) - to roces, w którym układ o rzejściu szeregu stanów ośrednich owraca do stanu oczątkowego.

19 Gaz doskonały. ząsteczki gazu traktujemy jak unkty materialne.. ząsteczki oruszają się chaotycznie a ruch ich odlega zasadom dynamiki klasycznej. 3. ałkowita liczna cząsteczek jest bardzo duża. Oznacza to, że omimo cząsteczkowej struktury gazu można uśrednić wielkości charakteryzujące jego makroskoowe własności jako jednorodnego układu. 4. Zderzenia cząsteczek są srężyste i natychmiastowe. zas trwania zderzeń jest omijalnie mały w stosunku do czasu omiędzy zderzeniami. 5. ząsteczki gazu nie oddziałują ze sobą oza momentami zderzeń

20 Równanie stanu Doświadczenia wykazują, że arametry charakteryzujące odizolowany układ termodynamiczny, nie mogą rzyjmować dowolnych wartości. Istnieje zależność funkcyjna omiędzy tymi arametrami (,,,n), którą nazywamy równaniem stanu: f ( n,,, ) 0 ) ( n,,,, ( n ) ( n,, ) nr R = 8,34 J/(mol. K) - stała gazowa

21 Wyrowadzimy teraz rawo gazów doskonałych. ząsteczki gazu będziemy traktować jako N małych, twardych kulek, każda o masie m zamkniętych w sześciennym udełku o objętości. Kulki są twarde to znaczy będą zderzały się srężyście ze ściankami naczynia, a to oznacza, że ich energia kinetyczna będzie stała. y v x v v x Rozważmy jedną cząsteczkę, która zderza się ze ścianką naczynia. Siła jaką cząsteczka wywiera na ściankę w czasie Δt wynosi zgodnie z drugą zasadą dynamiki Newtona: L x F t x

22 Zmiana składowej x ędu cząsteczki sowodowana zderzeniem wynosi: mv ( mv ) mv x x ząsteczka o odbiciu dociera do ścianki rzeciwnej i owraca. Jeżeli o drodze nie zderza się z innymi cząsteczkami to czas omiędzy kolejnymi zderzeniami z wybraną ścianką jest równy czasowi rzelotu rzez cały sześcian i z owrotem x x t L v x Siła jaką cząsteczka wywiera na ściankę wynosi: F mv L v x x mv L x

23 Dla N cząstek: F F S N mv L x N mvx SL N mv x Nmv x Prędkość średnią kwadratową cząsteczki możemy zaisać jako: v v x v y v z Ponieważ ruch odbywa się we wszystkich kierunkach (żaden kierunek nie jest wyróżniony), rędkości wzdłuż osi są sobie równe v 3v x v Nm 3 M v 3 le: M wówczas: v 3 Wielkość makroskoowa Wielkość mikroskoowa

24 emeraturę bezwzględną definiujmy jako wielkość wrost roorcjonalną do średniej energii kinetycznej cząsteczek: 3k mv v 3k m Nm v 3 mol zawiera N = 6,03 x 0 3 cząsteczek R k 38, 0 3 N J K - stała oltzmana N = n N - liczba cząsteczek gazu Otrzymujemy: Nk

25 Równanie stanu gazu doskonałego zostało sformułowane w XIX w. rzez laeyrona na odstawie trzech raw emirycznych odkrytych wcześniej rzez innych badaczy: Prawo oyle'a-mariotte'a stwierdza, że w stałej temeraturze iloczyn ciśnienia i objętości danej masy gazu jest stały = const.; Prawo harlesa mówi, że rzy stałej objętości gazu stosunek ciśnienia i temeratury danej masy gazu jest stały / = const.; Prawo Gay-Lussaca stwierdza, że dla stałego ciśnienia stosunek objętości do temeratury danej masy gazu jest stały / = const. Prawa te znane są jako rzemiany gazowe lub rzemiany izoarametryczne PROESY ERMODYNMIZNE (w zależności od stałości danego arametru stanu) IZOERMIZNY ( = const., d =0 ) IZORYZNY ( = const., d =0 ) IZOHORYZNY ( = const., d =0 ) DIYZNY ( = const., =0 )

26 Praca jest jednym ze sosobów rzekazywania energii układowi, olegającym na zmianie intensywnego arametru stanu układu w skutek oddziaływania z otoczeniem. dw dwukł Fdx sdx dw ukł d dw ukł dw zew W ukł d d Niemożliwe jest zbudowanie eretuum mobile ierwszego rodzaju, to znaczy maszyny działającej eriodycznie, która wykonywałoby racę bez obierania energii z zewnątrz. Do rzerowadzenia układu osłoniętego adiabatycznie ze stanu do stanu otrzeba zawsze takiej samej ilości racy zewnętrznej niezależnie od sosobu wykonywania tego rzejścia.

27 Pierwsza zasada termodynamiki Energia wewnętrzna układu izolowanego jest wielkością stałą, zmienić ją można tylko rzez oddziaływanie zewnętrzne i rzez wymianę energii z otoczeniem. U W zew zew du dw zew d zew W > 0, > 0 U > 0 W < 0, < 0 U < 0

28 cm m c x x x m m c lim 0 ieło właściwe substancji definiujemy jako d/d czyli ilość cieła, którą trzeba dostarczyć do jednostki masy, żeby sowodować jednostkową zmianę jej temeratury. ] [ K kg J Gdzie x oznacza,, - masa molowa c i zależą od: rodzaju ciała, temeratury, a dla gazów również od rodzaju rzemiany (c, c ) x x x x n m M c ] [ K mol J ieło molowe

29 Równanie Mayera dla gazu doskonałego R d d d U U U U zew d d d U U zew d d d d U zew d d d zew U d d d d U d d

30 Przemiana izotermiczna emeratura układu ozostaje stała. Układ znajduje się w kontakcie termicznym ze źródłem, które może oddawać lub obierać cieło bez zmiany własnej temeratury. Gaz doskonały obiera cieło ze źródła i w konsekwencji rzechodzi ze stanu do stanu. U = n = 0 W d nr d nr ln Z I ZD: = W + U = nrln ieło obrane zmienia się całkowicie w racę. Podczas srężania gaz oddaje cieło do źródła.

31 Przemiana izochoryczna Objętość układu ozostaje stała. Gaz znajduje się w szczelnym zbiorniku, rzez ściany którego dostarczane jest cieło. W d 0 = W + U = U U = n = ieło obrane owoduje wzrost temeratury gazu. Podczas oddawania cieła do otoczenia sada ciśnienie gazu.

32 Przemiana izobaryczna iśnienie układu ozostaje stałe. Gaz znajduje się w zbiorniku zamkniętym z jednej strony tłokiem, tak że może zmieniać swoją objętość. W tym rzyadku cieło obrane rzez układ zmienia energię wewnętrzną układu oraz wykonuje race objętościową. W d U = n = n P Z I ZD: n P = + n, = nr n P = nr nr + n n = n R + P = R +

33 Przemiana adiabatyczna rak wymiany cieła z otoczeniem. Zmieniają się w tym samym czasie ciśnienie, objętość i temeratura. e trzy wartości nie są od siebie niezależne. κ = P, κ = 5 3 gaz monoatomowy, κ = 7 5 gaz dwuatomowy, κ = const κ = κ κ κ = const κ κ = κ κ κ = const κ = κ W d const d = W + U = 0 U = n W = n

34 Entroia: S ERMODYNMIZN FUNKJ SNU: S = S S Entroia określa stan nieuorządkowania układu ZMIN ENROPII W PROESIE ODWRLNYM, izotermicznym ( zachodzącym w układzie zamkniętym ) wynosi: ds d ZMIN ENROPII W PROESIE NIEODWRLNYM (nierówność lausiusa): ds d const const v const S n ln const S n d const S n ln const S n d

35 Większość rocesów naturalnych rzebiega w jednym kierunku. O kierunku danego rocesu nie decyduje energia lecz zmiana entroii układu. Przemiana nieodwracalna w układzie zamkniętym owoduje wzrost entroii S układu. Niższa entroia układu rzeszłość Wyższa entroia układu teraźniejszość lub rzyszłość. Wzrost entroii wyznacza kierunek rzebiegu zdarzeń - strzałkę czasu. Stan zdezorganizowany ma większe rawdoodobieństwo niż stan zorganizowany. Prawdoodobieństwo z entroią ołączył Ludwig oltzmann: entroia jest miarą nieuorządkowania: S k lnw W liczba sosobów, na jakie makroskoowy stan termodynamiczny układu (makrostan) może być zrealizowany orzez stany mikroskoowe (mikrostany),

36 W wyniku wzrostu entroii (wzrostu nieuorządkowania ), Wszechświat może osiągnąć stan maksymalnej entroii (równomiernego rozkładu energii). W stanie równowagi termodynamicznej nie będzie możliwe wykonanie żadnej racy i nastąi śmierć Wszechświata.

37 Druga zasada termodynamiki Entroia układu zamkniętego wzrasta w rzemianach nieodwracalnych i nie zmienia się w rzemianach odwracalnych. Entroia nigdy nie maleje: S 0. Żadna cykliczna maszyna cielna racująca między temeraturami: górną i dolną nie może mieć srawności większej niż: S. arnot: silnik cielny nie może racować nie obierając cieła ze źródła o wyższej temeraturze i nie oddając go do źródła o niższej temeraturze. W. Ostwald: eretuum mobile II rodzaju jest niemożliwe do zrealizowania. M. Planck: niemożliwe jest skonstruowanie działającego eriodycznie silnika, którego działanie olegałoby tylko na odnoszeniu ciężarów i równoczesnym ochładzaniu jednego źródła cieła. R. laussius: cieło nie może samorzutnie rzejść od ciała o temeraturze niższej do ciała o temeraturze wyższej. E. Schmidt: nie można całkowicie odwrócić rzemiany, w której wystęuje tarcie.

38 rzecia zasada termodynamiki Zasada Nernsta Nie można osiągnąć temeratury zera bezwzględnego w skończonej serii rocesów termodynamicznych, jeżeli za unkt wyjścia obierzemy niezerową temeraturę bezwzględną.

39 Maszyny cielne Z drugiej zasady termodynamiki wynika, że zamiana cieła na racę rzez cyklicznie racującą maszynę, jest możliwa tylko rzy wykorzystaniu dwóch zbiorników cieła o różnych grzejnik temeraturach. W jednym cyklu ciało robocze obiera cieło (zew), wykonuje racę W i oddaje cieło (ukł) do drugiego zbiornika, samo zaś owraca do stanu oczątkowego (U = 0) Maszyna cielna W W ( zew) ( ukł) chłodnica

40 Maszyny cielne W Srawnością maszyny cielnej nazywamy stosunek wykonanej racy W do cieła obranego (zew). W Skutecznością maszyny chłodniczej nazywamy stosunek cieła obranego (zew) z chłodnicy do wykonanej racy W w rocesie rzeniesienia tego cieła do grzejnika.

41 Silnik (cykl) arnota (doskonały silnik cielny gaz doskonały) Nicolas Léonard Sadi arnot wierdzenie arnota: Srawność dowolnego cyklu odwracalnego rzebiegającego między temeraturami i jest taka sama, zależy tylko od temeratur i, nie zależy natomiast od ciała roboczego ani też konstrukcji maszyny. Stosunek temeratur bezwzględnych grzejnika i chłodnicy jest równy stosunkowi cieła obranego i cieła oddanego w cyklu odwracalnym (796-83) fizyk, inżynier wojskowy i matematyk francuski. Jeden z twórców odstaw wsółczesnej termodynamiki, autor teorii silników cielnych, w tym cyklu idealnego silnika cielnego tzw. cyklu arnota, zwolennik teorii cielika. Wykazał, że raca wykonana rzez maszynę arową jest wrost roorcjonalna do ilości cieła, jaka rzeływa z kotła do kondensatora i że cieło jest w stanie wykonać racę tylko rzy rzejściu z ciała cielejszego do zimniejszego. Wygłasza zasadę równoważności cieła i racy. Za życia wsławił się jedyną ogłoszoną rozrawą o Sile oruszającej ognia (84). Zmarł w wieku 36 lat na cholerę.

42 Silnik (cykl) arnota (doskonały silnik cielny gaz doskonały) Przykładem cyklu odwracalnego jest cykl arnota. Jest to bardzo ważny cykl odwracalny onieważ wyznacza granicę naszych możliwości zamiany cieła na racę. ykl arnota rzebiega czterostoniowo:. Gaz znajduje się w stanie równowagi,,. ylinder stawiamy na zbiorniku cieła ( ) i ozwalamy, żeby gaz rozrężył się izotermicznie do stanu,,. W tym rocesie gaz obiera cieło i jego kosztem wykonuje racę odnosząc tłok.. ylinder stawiamy na izolującej odstawce i ozwalamy na dalsze rozrężanie (adiabatyczne) gazu do stanu 3, 3,. Gaz wykonuje racę rzy odnosząc tłok kosztem własnej energii i jego temeratura sada do. 3. ylinder stawiamy na zimniejszym zbiorniku ( ) i srężamy gaz izotermicznie do stanu 4, 4,. Pracę wykonuje siła zewnętrzna chająca tłok, a z gazu do zbiornika rzechodzi cieło. 4 4 D ylinder stawiamy na izolującej odstawce i srężamy adiabatycznie do stanu oczątkowego,,. Siły zewnętrzne wykonują racę i temeratura gazu odnosi się do. ykl arnota składa się z dwóch rzemian izotermicznych i dwóch rzemian adiabatycznych.

43 Silnik (cykl) arnota (doskonały silnik cielny gaz doskonały) Praca wykonywana rzez gaz lub siłę zewnętrzną jest równa każdorazowo olu od wykresem () odowiadającym danej rzemianie. Stąd wyadkowa raca W wykonana rzez układ w czasie ełnego cyklu jest oisana rzez owierzchnię zawartą wewnątrz zamkniętej krzywej oisującej cały cykl. ln ln ln ln ln ln ln ln ln ln, nr nr nr W nr W const D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D ykl arnota składa się z dwóch rzemian izotermicznych i dwóch rzemian adiabatycznych.

44 ykl Otta Nicolaus ugust Otto (-) srężanie adiabatyczne, (-) ogrzewanie izochoryczne (wskutek salania mieszanki aliwowej, silnik salinowy), (-D) rozrężanie adiabatyczne, (D-) chłodzenie izochoryczne - wydech, (-E-) wtrysk aliwa i zasysanie mieszanki, srężania i rozrężania izobaryczne η = κ (83-89) samouk, wynalazca nazwanego na jego cześć silnika Otto (silnik o załonie iskrowym). Nigdy nie ukończył wyższej szkoły, jednakże otrzymał óźniej tytuł doktora honoris causa.

45 Przejścia fazowe Proces rzekształcania się jednej fazy w inną nazywa się rzejściem fazowym lub rzemianą fazową. Przykłady rzejść fazowych: - rzemiany fazowe ierwszego rodzaju: rzemiany, w których ulega zmianie stan skuienia: arowanie i skralanie, krystalizacja i tonienie, sublimacja i resublimacja, ferromagnetyk aramagnetyk w obecności zewnętrznego ola magnetycznego - rzemiany fazowe drugiego rodzaju: rzemiany zachodzące bez zmiany stanu skuienia: rzemiana rzewodnik nadrzewodnik, ferromagnetyk aramagnetyk w c, hel I hel II

46 c ar Przejścia fazowe cieło rzemiany (zmiana stanu skuienia cieło arowania, cieło tonienia) c rzem m dla wody wrzącej od ciśnieniem normalnym 539 cal/g 40,7 kj/mol 56 kj/kg dla wody krzenącej od ciśnieniem normalnym [K] [kj/kg] Substancja tem. ieło rzemiany onienie wodór 4,0 58,0 tlen 54,8 3,9 rtęć 34,4 woda ołów 60 3, srebro miedź Wrzenie wodór 0,3 455 tlen 90, 3 rtęć woda ołów srebro miedź c to 79,5 cal/g 6,0kJ/mol 333 kj/kg O ciecz H O ciecz iało stałe.krytyczny Punkt otrójny gaz iało stałe gaz

47 Przejścia fazowe Dotychczas osługiwaliśmy się ojęciem stanu równowagi układu, czyli stanu, w którym żaden z arametrów otrzebnych do makroskoowego oisu układu nie zależy od czasu. Zajmowaliśmy się rocesami, które zaczynały się jednym stanem równowagi, a kończyły innym stanem równowagi. Dla układu jednorodnego (rzykładowo gazu) w stanie równowagi do jego oisu wystarcza znajomość dwu odstawowych arametrów stanu na rzykład ciśnienia i objętości. Ois komlikuje się gdy mamy układ niejednorodny na rzykład ciecz w równowadze z arą. Dla danej temeratury stan równowagi tego układu jest możliwy rzy różnych objętościach układu (od objętości zależy ilość fazy ciekłej i gazowej). Natomiast temeratura i ciśnienie rzestają być niezależne. W każdej temeraturze równowaga jest możliwa tylko rzy określonym ciśnieniu (ary nasyconej). Przy wyższym istnieje tylko ciecz, rzy niższym ara. Podobnie ciecz i ciało stałe mogą istnieć w równowadze tylko w temeraturze tonienia, która jest funkcją ciśnienia. Wreszcie ciało stałe wsółistnieje w równowadze z arą nasyconą, której ciśnienie jest funkcją temeratury. O H O ciecz ciecz iało stałe.krytyczny iało stałe Punkt otrójny gaz gaz

48 Przejścia fazowe I a b a II III b Literą a oznaczona jest krzywa równowagi ciało stałe - ciecz (związek temeratury tonienia z ciśnieniem). Krzywa a' rzedstawia tę zależność dla kilku nietyowych substancji, które rzy tonieniu zmniejszają objętość na rzykład dla lodu. Krzywe b + b' okazują zależność ciśnienia ary nasyconej od temeratury. Odcinek b' to krzywa równowagi ciało stałe - ara, a odcinek b to krzywa równowagi ciecz - ara. Krzywa równowagi ciecz - ara kończy się w unkcie krytycznym K. Dla temeratury wyższej od temeratury unktu krytycznego K zanika różnica omiędzy fazą ciekłą i gazową. Dlatego warunkiem skrolenia gazu jest ochłodzenie go oniżej jego temeratury krytycznej. Punkt P, w którym łączą się krzywe nazywamy unktem otrójnym. W tym unkcie mogą znajdować się w równowadze wszystkie trzy stany skuienia. Dla wody odowiada to ciśnieniu = 60.6 Pa i = 73.6 K (0.0 ). Punkt otrójny wody osłużył do definicji jednostki temeratury - kelwina.

49 Równanie stanu gazów rzeczywistych Równanie van der Waalsa gazu rzeczywistego (dla mola) a b R Substancja a[0-5 Hel Wodór rgon len zot Dwutlenek węgla Nm 4 /kmol ] b[0 3 m 3 /kmol]

50 Równanie stanu gazów rzeczywistych Wartości krytyczne k, k, k Gaz idealny obszar koegzystencji objętość molowa

51 Rozszerzalność cielna (termiczna) Rozszerzalność liniowa L L L L L L L 0 L 0 L 0 t 0 t 0 t t Rozszerzalność objętościowa 0 t Dla ciał izotroowych [K - ] aluminium 3 arsen 6 kobalt.6 żelazo.5 otas 84 srebro 0 orcelana 4 stal 3 diament