Podstawy fizyki wykład 6

Transkrypt

1 Podstawy fizyki wykład 6 Dr Piotr Sitarek Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

2 Elementy termodynamiki Temperatura Rozszerzalność cieplna Ciepło Praca a ciepło Pierwsza zasada termodynamiki Gaz doskonały - przemiany Druga zasada termodynamiki Np. D.Halliday, R.Resnick, J.Walker, Podstawy fizyki, tom II (PWN) H. D. Young, R. A. Freedman, Sear s & Zemansky s University Physics with Modern Physics (Addison-Wesley Publishing Company) K.Sierański, P.Sitarek, K.Jezierski, Repetytorium (Scripta) K.Sierański, K.Jezierski, B.Kołodka, Wzory część II (Scripta)

3 Termodynamika dział fizyki, który zajmuje się energią termiczną (energią wewnętrzną) układu. Bada efekty energetyczne wszelkich przemian fizycznych i chemicznych, które wpływają na zmiany energii wewnętrznej analizowanych układów. Podstawowym pojęciem termodynamiki jest temperatura.

4 Zerowa zasada termodynamiki termoskop Jeżeli ciała A i B są w stanie równowagi termodynamicznej z trzecim ciałem T, to są one także w stanie równowagi termodynamicznej ze sobą nawzajem. lub inaczej Każde ciało ma pewną właściwość, którą nazywamy temperaturą. W stanie równowagi termodynamicznej temperatura ciał jest równa.

5 Skala Kelvina Termodynamika Aby zdefiniować skalę temperatur, trzeba wybrać jakieś powtarzalne zjawisko (zależne od temperatury) i przypisać mu pewną (dowolną) wartość temperatury bezwzględnej. Przyjęto, że jest to tzw. punkt potrójny wody: Stąd przyjęto, że kelwin to 1/273,16 różnicy pomiędzy temperaturą punktu potrójnego wody a zerem bezwzględnym.

6 Skala Celsjusza Termodynamika Anders Celsius ( ) zaproponował odwróconą skalę temperatury: 0 o wrzenie wody 100 o topnienie lodu Carolus Linnaeus ( ) zastosował te same punkty temperatury lecz odwrócił skalę: 100 o wrzenie wody 0 o topnienie lodu

7 Skala Farenheita Termodynamika Daniel Gabriel Fahrenheit ( ) użył do kalibracji: 0 o F temperatura solanki (lód, woda, sole) 100 o F temperatura żony W skali Fahrenheita temperatura zamarzania wody: 32 o F, a temperatura wrzenia wody ~ 212 o F. Aby różnica wynosiła 180 o F, zrobiono drobne poprawki. W wyniku poprawek temperatura ciała ludzkiego wynosi 98.6 o F.

8 Porównanie punkt potrójny wody zero bezwzględne

9 Termometry Termodynamika Termometry objętościowe związane są ze zmianą wymiarów ciała ze zmianą temperatury (rozszerzalność liniowa). Najprostszym przykładem jest termometr rtęciowy. Dokładniejszym przyrządem tego typu jest termometry gazowy stałego ciśnienia. Pomiar temperatury polega na pomiarze objętości (wymiaru liniowego) rozszerzającego się ośrodka. Termometry gazowe stałej objętości bazują na pomiarze zmian ciśnienia ze zmianą temperatury. Służą do pomiarów małych temperatur. Termorezysty to elementy elektryczne, które mierzą zmiany temperatury poprzez pomiar związanej z nią zmiany oporu przewodnika bądź półprzewodnika Termopary to układy dwóch przewodników, na stykach których wytwarza się napięcie termoelektryczne, proporcjonalne do różnicy temperatur obu styków (zjawisko Seebecka). Pirometry mierzą temperaturę poprzez pomiar (porównanie) emisji promieniowania ciała, którego temperaturę chcemy określić, z emisją ciała doskonale czarnego nadają się do pomiaru wysokich temperatur i do pomiarów na odległość.

10 Termometry Bolometry również bazują na fakcie, że emisja promieniowania danego ciała jest proporcjonalna do jego temperatury. Układy bimetali służą raczej jako dwustanowe przełączniki termiczne, niż termometry, ale też pełnią rolę mierników temperatury.

11 Rozszerzalność cieplna

12 Rozszerzalność cieplna Rozszerzalność liniowa

13 Rozszerzalność cieplna

14 Rozszerzalność cieplna

15 Rozszerzalność cieplna Przykład: Jaka jest różnica długości legara betonowego o długości 12 m, pomiędzy latem (35 o C) i zimą (-5 o C)? L = 12 m DT = 40 o C = 12*10-6 /C DL =12*10-6 *12 * 40 = 5.5*10-3 m = 5.5 mm

16 Ciepło Obserwowana zmiana temperatury jest wynikiem przepływu energii termicznej pomiędzy układem a jego otoczeniem. Przekazywana energia nazywana jest ciepłem (Q). Q > 0 gdy energia jest przekazywana z otoczenia do układu (wzrasta jego energia termiczna).

17 Ciepło Ciepło jest energią przekazywaną między układem a jego otoczeniem na skutek istniejącej między nimi różnicy temperatury. Jednostką ciepła jest dżul [J] Kaloria (łac. calor ciepło) historyczna jednostka ciepła - ilość ciepła potrzebna do podgrzania, pod ciśnieniem 1 atmosfery, 1g czystej chemicznie wody o 1 C od temperatury 14,5 C do 15,5 C. 1 cal = 4,1855 J W 1929 roku wprowadzono kalorię międzynarodową (obecnie używany w fizyce przelicznik): 1 cal = 4,1868 J

18 Przekazywanie ciepła Termodynamika

19 Przemiany fazowe Termodynamika

20 Przemiany fazowe Termodynamika

21 Przemiany fazowe Termodynamika

22 Mechanizmy przekazywania ciepła konwekcja przewodnictwo promieniowanie promieniowanie

23 Mechanizmy przekazywania ciepła Przewodnictwo cieplne bezpośredni kontakt układów, wymiana energii odbywa się w wyniku oddziaływania cząsteczek ciał; Cząstki ciała się nie przesuwają. Substancja k [W/(m*K)] Stal nierdzewna 14 Aluminium 235 Szkło okienne 1.0 Drewno sosnowe 0,11 Wełna mineralna 0,043 Pianka poliuretanowa 0,024 Woda 0,57 Powietrze 0,026 Ciało ludzkie(średnio) 0,20 Lód 2,2

24 Mechanizmy przekazywania ciepła Konwekcja przenoszenie energii w cieczach i gazach nie na skutek ruchu pojedynczych cząsteczek, a w wyniku ruchu makroskopowych ilości substancji. Ruchy te występują na skutek różnicy gęstości substancji w różnych temperaturach (np. w polu grawitacyjnym planety ciepłe masy wody lub gazów unoszone są do góry, a chłodne masy opadają, ponieważ mają większą gęstość w pewnym zakresie temperatur), ruch płynu może być też wywołany inną przyczyną.

25 Mechanizmy przekazywania ciepła Promieniowanie cieplne za pomocą fal elektromagnetycznych; nie jest potrzebna obecność materii.

26 Mechanizmy przekazywania ciepła Przykład: Powierzchnia człowieka około 1m 2 Zdolność emisyjna około 0.75; Temperatura otoczenia T e =20 ⁰C=293K Temperatura człowieka około T=37⁰C=310K P S 4 W W 2 4 T T 0.75*5, m 310K 293K net e 79 m K W czasie doby 24h=86400s, tracimy: 6 Q P net t 79W 86400s J 2 Jeśli jemy 2000 kcal dziennie, czyli 2000 *1000*4.2J=8.4x10 6 J Inne: T e =30⁰C => P=34W T e =18⁰C => P=88W, na dzień Q=7.6x10 6 J

27 ciśnienie, p Praca a ciepło Termodynamika przemiana objętość, V

28 Pierwsza zasada termodynamiki

29 Pierwsza zasada termodynamiki

30 Pierwsza zasada termodynamiki - przykłady

31 Pierwsza zasada termodynamiki - przykłady

32 Gaz doskonały Termodynamika

33 Gaz doskonały Termodynamika

34 Przemiany gazu doskonałego

35 Przemiany gazu doskonałego

36 Przemiany gazu doskonałego

37 Proces kołowy cykl Carnota

38 Proces kołowy cykl Carnota

39 Proces kołowy cykl Carnota

40 Proces kołowy cykl Carnota

41 Druga zasada termodynamiki

42 Druga zasada termodynamiki

43 Dziękuję za uwagę!