Podstawy termodynamiki

Transkrypt

1 Podstawy termodynamiki Temperatura i ciepło Praca jaką wykonuje gaz I zasada termodynamiki Przemiany gazowe izotermiczna izobaryczna izochoryczna adiabatyczna

2 Co to jest temperatura? Temperatura (K) początek wszechświata pojęcie związane z naszym odczuciem ciepła i zimna każde ciało fizyczne ma własność zwaną temperaturą - kiedy dwa ciała są w równowadze termicznej to maja tę samą temperaturę (zerowa zasada termodynamiki) jednostka podstawowa w układzie SI to K (kelwin) jest miarą ruchu cieplnego cząstek t. jest proporcjonalna do średniej energii kinetycznej cząstek. dolny limit ( 0 K ) zero absolutne! E i kt najwyższa temp. w lab. centrum słońca powierzchnia słońca topnienie wolframu zamarzanie wody (273K) średnia wszechświata teraz (3K) wrzenie helu-3 k rekordowa niska temp. 2

3 Punkt potrójny wody - wzorzec

4 Pomiar temperatury

5 Termometr gazowy o stałej objętości Gaz idealny Odczyt wysokości słupa cieczy jest proporcjonalny do wartości ciśnienia w zbiorniku Substancja której temperaturę T chcemy mierzyć Korzystamy tutaj z faktu, że dla gazu doskonałego, gdy utrzymujemy stałą objętość, P ~ T ponieważ PV = nrt

6 Skale temperatur

7 Temperatury niektórych obiektów

8 Punkty stałe na międzynarodowej praktycznej skali temperatur

9 Rozszerzalność cieplna Dzięki temu, dla wielu substancji, objętość/rozmiar liniowo zmienia się wraz z temperaturą

10 Dziwne zachowanie wody

11 Temperatura i ciepło Zmiana temperatury układu związana jest z przepływem energii z lub do otoczenia energia ta zwana jest ciepłem otoczenie TO otoczenie układ TS Q Znak Q jest sprawą umowną, tutaj będziemy stosować że jest ono dodatnie gdy układ pobiera ciepło otoczenie układ TS TS > TO TO TO układ TS Q TS = TO TS < TO Q<0 Q=0 Q>0 ujemne dodatnie Ciepło jest formą energii która przepływa pomiędzy układem a jego otoczeniem spowodowanym różnicą temperatur Ciepło i praca nie są cechami układu, opisują przepływ energii (przeciwnie do temperatury, która charakteryzuje układ i jest parametrem stanu układu) Jednostka ciepła to J (dżul), dawniej używano kalorii 1 cal = J

12 Absorpcja ciepła ciepło właściwe Def. pojemności cieplnej C Q = C T = C (Tf Ti) temp. końcowa - temp. początkowa Q C T f Ti Def. ciepła właściwego c (na jednostkę masy) Q = c m T = c m (Tf Ti) Q m(t f Ti ) [J/(kg K)] Q c n(t f Ti ) [J/(mol K)] c masa Def. ciepła właściwego molowego c Q = c n T = c n (Tf Ti) liczba moli substancji [J/K] Jeśli Q było wyznaczone w przemianie izochorycznej to wyznaczone ciepło właściwe oznaczamy przez cv Jeśli Q było wyznaczone w przemianie izobarycznej to wyznaczone ciepło właściwe oznaczamy przez cp

13 Wartości cp dla niektórych ciał stałych

14 Przepływ ciepła w przemianach fazowych W trakcie przemiany fazowej (ciało stałe- ciecz -gaz) temperatura nie zmienia się, ale substancja pobiera/oddaje energię w postaci ciepła na zmianę stanu skupienia Q = C m

15 i Praca jaką wykonuje gaz przy ogrzewaniu i chłodzeniu f W>0 i dw F ds ( pa)(ds ) p ( A ds ) p dv Vf W dw p dv Vi f dostarczane/odbierane ciepło powoduje że gaz wykonuje pracę przesuwając tłok i Odbiornik ciepła Kontroler temp wartość pracy (i przekazywanego ciepła) zależy od sposobu przemiany od stanu początkowego (i) do stanu końcowego (f) (zależy od drogi przemiany) okazuje się, że różnica Q W jest taka sama dla każdej z tych przemian W>0 i ciśnienie p izolacja f f W>0 f i W<0 f i W>0 objętość V

16 I zasada termodynamiki W izolowanym układzie różnica pomiędzy pracą wykonaną przez gaz a ciepłem dostarczonym do układu w danej przemianie termodynamicznej jest równa zmianie energii wewnętrznej gazu du Q W U zależy wyłącznie od ostatecznych zmian stanu gazu (temperatury,ciśnienia i objętości) nie zależy od sposobu w jaki nastąpiła przemiana tzn. U jest jednoznaczną funkcją stanu gazu ( U = Uf - Ui) Energia wew. zawiera w sobie energie wszystkich postaci ruchów wewnętrznych w układzie (energię ruchu postępowego i obrotowego i wszelkich oscylacji cząstek) oraz energię oddziaływania wzajemnego wszystkich cząstek I zasada termodynamiki jest zasadą zachowania energii dla procesów termodynamicznych Zmiana energii wew. En. wew. gazu doskonałego sprowadza się tylko to energii kinetycznej wszystkich rodzajów ruchu cząsteczek gazu

17 Izoprocesy Proces izotermiczny przemiana w której temperatura jest stała T = const. zatem gaz wykonuje pracę która równa się Vf Vf Vf nrt W pdv dv nrt ln V Vi Vi Vi P V Uwaga! Zmianę en. wew. dla gazu doskonałego można zawsze policzyć z : w tej przemianie pv = const. (wynika to z pv=nrt ) zmiana energii wewnętrznej jest równa 0 U 0 zatem Q W tutaj ciepło jest całkowicie zamienione na pracę U n cv (T f Ti )

18 Izoprocesy Proces adiabatyczny układ nie wymienia ciepła z otoczeniem Q = 0 U W praca gazu odbywa się kosztem jego P V energii wewnętrznej jednocześnie spełnione jest: U n cv (T f Ti ) izolacja

19 Izoprocesy Proces adiabatyczny du pdv, du cv dt adiabata dp c p dv 0 p cv V pv const. izoterma ciśnienie p n dt dv, pv nrt cv p dv V dp nr dt cp cv c p cv R T = 700K T = 500K T = 300K objętość dla gazu doskonałego

20 Izoprocesy Proces izochoryczny Przemiana w której objętość jest stała dv = 0, V =const. zatem gaz nie wykonuje pracy W = 0; dw = p dv =0 U Q P zmiana energii wewnętrznej wołana jest dostarczaniem/obieraniem V ciepła do/z układu w tej przemianie p/t = const. (wynika to z pv=nrt) jednocześnie spełnione jest: U n cv (T f Ti )

21 Izoprocesy Proces izobaryczny Przemiana w której ciśnienie jest stałe p = const. zatem gaz wykonuje pracę która równa się Vf P W p dv p (V f Vi ) V Vi zmiana energii wewnętrznej wołana jest dostarczaniem/obieraniem ciepła do/z układu w tej przemianie V/T = const. (wynika to z rów. pv=nrt) U Q W n c p (T f Ti ) p (V f Vi ) U n cv (T f Ti )