Termodynamika. Cel. Opis układu niezależny od jego struktury mikroskopowej Uniwersalne prawa. William Thomson 1. Baron Kelvin

Transkrypt

1 Cel Termodynamika Opis układu niezależny od jego struktury mikroskopowej Uniwersalne prawa Nicolas Léonard Sadi Carnot Rudolf Clausius William Thomson 1. Baron Kelvin i inni...

2 Termodynamika podstawowe pojęcia Stan układu Parametry stanu: P, V, T Stan równowagowy: parametry nie zmieniają się w czasie Relaksacja dochodzenie do stanu równowagi Równanie stanu parametry nie są niezależne stan proces równowagowy Diagram P V (również P T itp.) Proces ( przemiana ) zmiana stanu proces nierównowagowy równowagowy (kwazistatyczny) układ przechodzi przez stany równowagi odwracalny może zajść również w przeciwnym kierunku warunki: jednakowe ciśnienia i temperatury Podstawowe procesy odwracalne: izotermiczny (T = const) i adiabatyczny Proces kołowy (cykliczny) Gaz doskonały: proces izotermiczny proces adiabatyczny

3 I zasada termodynamiki Funkcje stanu Wielkości małe (np. ) i przyrosty funkcji stanu (np. ) różniczki zupełne Przepływ ciepła i praca I zasada termodynamiki zasada zachowania energii Perpetuum mobile I rodzaju Praca przy zmianie objętości

4 Maszyny termodynamiczne Maszyna termodynamiczna (silnik cieplny) cykliczny proces termodynamiczny Sprawność (silnik: ) Cykl Carnota (gaz doskonały) a rezerwuar (duży, w równowadze) b d c adiabaty Taki proces (W > 0, Q > 0) też jest dozwolony

5 Sformułowanie Kelvina-Plancka: II zasada termodynamiki Nie istnieje proces, którego jedynym efektem byłoby pobranie ciepła i wykonanie pracy perpetuum mobile II rodzaju zabronione Sformułowanie Clausiusa: Nie istnieje proces, którego jedynym efektem byłoby przekazanie ciepła z ciała o temperaturze niższej do ciała o temperaturze wyższej zabronione

6 II zasada termodynamiki Dowód równoważności sformułowań (w obie strony nie wprost) Kelvin Clausius = Clausius Kelvin =

7 Dowód (nie wprost) Twierdzenie Carnota Sprawność dowolnej maszyny odwracalnej jest nie mniejsza niż dowolnej maszyny wymieniającej ciepło z tymi samymi rezerwuarami MO M = MO Wniosek perpetuum mobile II rodzaju zabronione (Kelvin) Sprawność wszystkich maszyn odwracalnych jest jednakowa termodynamiczna bezwzględna skala temperatur

8 Nierówność Clausiusa Układ wykonuje dowolny proces cykliczny generując pracę Wymienia ciepła z rezerwuarami o temperaturach (można założyć, że są stałe; jeśli nie, to zamienić na ciąg rezerwuarów)... Te same ilości ciepła są odbierane przez maszyny odwracalne z chłodnicą o temperaturze wykonujące prace Twierdzenie Carnota Całkowity przekaz ciepła i praca II zasada termodynamiki (Kelvin Planck): Małe przekazy ciepła: ciepło dostarczone do układu temperatura otoczenia

9 Entropia (termodynamika) Proces odwracalny: w odwróconym cyklu stąd dla procesu odwracalnego Można zdefiniować funkcję stanu entropię taką że w procesie równowagowym A proces równowagowy B jest różniczką zupełną (przyrostem) entropii III zasada termodynamiki: (słuszna dla większości układów)

10 Układ przechodzi z A do B Zasada wzrostu entropii Powrót z B do A przez proces odwracalny A Proces odwracalny B Stąd Układ izolowany (zamknięty) Wniosek: W dowolnym procesie w układzie zamkniętym (równość dla procesów odwracalnych)

11 Energia wewnętrzna Potencjały termodynamiczne Energia swobodna energia swobodna osiąga minimum w ustalonej temperaturze i objętości Entalpia Entalpia swobodna potencjał Gibbsa entalpia swobodna osiąga minimum w ustalonej temperaturze i ciśnieniu