Fizyka 13. Janusz Andrzejewski

Transkrypt

1 Fizyka 13 Janusz Andrzejewski

2 Janusz Andrzejewski 2

3 Janusz Andrzejewski 3

4 Egzaminy: Egzaminy odbywają się w salach 322 oraz 314 budynek A1 w godzinach od do I termin 4 luty 2013 poniedziałek II termin 12 luty wtorek Janusz Andrzejewski 4

5 Termodynamika Czy zamiast opisywać położenia i pędy wszystkich cząsteczek w zbiorniku, można jakoś inaczej postąpić? Janusz Andrzejewski 5

6 Termodynamika Termodynamika nauka o energii, dział fizyki zajmujący się badaniem energetycznych efektów wszelkich przemian fizycznych i chemicznych, które wpływają na zmiany energii wewnętrznej analizowanych układów. Wbrew rozpowszechnionym sądom termodynamika nie zajmuje się wyłącznie przemianami cieplnymi, lecz także efektami energetycznymi reakcji chemicznych, przemian z udziałem jonów, przemianami fazowymi, a nawet przemianami jądrowymi i energią elektryczną. (Wikipedia) Janusz Andrzejewski 6

7 Termodynamika termodynamikę fenomenologiczną, która posługuje się pojęciami związanymi ze stosunkowo prostymi pomiarami makroskopowymi termodynamikęstatystyczną, która wnika głębiej w budowę substancji, rozpatrując ją jako zbiór atomów i drobin, których ogromne ilości zmuszają do opisywania ich zachowań metodami statystyki matematycznej. Janusz Andrzejewski 7

8 Termodynamika Układ termodynamiczny rodzaj układu fizycznego, czyli zespołu wzajemnie oddziałujących obiektów makroskopowych (ciał i pól), które mogą wymieniać energię i materię. Układ jest oddzielony od otoczenia jednoznacznie zdefiniowaną granicą, istniejącą realnie i dostrzegalną albo czysto myślową. Janusz Andrzejewski 8

9 Rodzaje układów Ze względu na granicę: układ otwarty - którego granicę może przekraczać energia i substancja; układ zamknięty -którego granicę może przekraczać tylko energia (jest zamknięty dla substancji); w szczególnym przypadku, gdy granica nie przepuszcza również ciepła (ale inne rodzaje energii tak), to system ten jest adiabatyczny; układ odosobniony (izolowany)-którego granicę nie przekracza ani substancja, ani energia. Janusz Andrzejewski 9

10 Rodzaje układów Ze względu na zawartość: układy jednorodne mające te same właściwości fizyczne i chemiczne w całej objętości, układy niejednorodne, które dzielą się na: dyskretne o skokowych zmianach właściwości, np. wskutek istnienia kilku faz, jak ciecz i gaz lub ciecz i ciało stałe, ciągłe o bezstopniowych zmianach właściwości, jak np. zmiana gęstości powietrza atmosferycznego ze wzrastającą wysokością Janusz Andrzejewski 10

11 Parametry stanu układu Parametry stanu wielkości fizyczne opisujące stan układu termodynamicznego takie jak: temperatura, ciśnienie, objętość, ilości (np. stężenia) poszczególnych substancji, czasem również inne. Wielkości te nie zależą od historii tzn. nie zależą od tego w jaki sposób układ znalazł się w określonym stanie. Parametry ekstensywne proporcjonalne do ilości materii w układzie: masa objętość Parametry intensywne niezależne od ilości materii w układzie: temperatura ciśnienie ułamek molowy Iloraz dwóch wielkości ekstensywnych zawsze jest wielkością intensywną. Janusz Andrzejewski 11

12 Funkcje stanu Funkcje stanu funkcja zależna wyłącznie od stanu układu, czyli od aktualnych wartości jego parametrów stanu. Wartość funkcji stanu z definicji nie zależy od jego historii, tzn. tego co działo się z nim wcześniej. Wynika z tego bezpośrednio inna podstawowa własność funkcji stanu: Zmiana wartości funkcji stanu zależy tylko od stanu początkowego i końcowego układu, a nie od sposobu w jaki ta zmiana została zrealizowana. Przykłady: temperatura ciśnienie energia wewnętrzna entropia entalpia Uwaga: Funkcjami stanu nie są praca oraz ciepło! Janusz Andrzejewski 12

13 Rodzaje termodynamiki Termodynamika klasyczna Termodynamika kwantowa Termodynamika statystyczna Termodynamika techniczna Termodynamika chemiczna Termodynamika procesów nierównowagowych Janusz Andrzejewski 13

14 Temperatura Janusz Andrzejewski 14

15 Równowaga termodynamiczna Równowaga termodynamiczna: funkcje stanu mają tę samą wartość w każdym miejscu układu i nie zmieniają się w czasie. Jeżeli układy A i B zostaną doprowadzone do kontaktu cieplnego i ich funkcje stanu nie zmieniają się, są one w równowadze termodynamicznej. A B Janusz Andrzejewski 15

16 Zerowa zasada termodynamiki A C B A w kontakcie cieplnym z C ale nie z B B w kontakcie cieplnym z C ale nie z A Jeżeli, po dostatecznie długim czasie: A w równowadze z C B w równowadze z C To A jest w równowadze z B (wynik doświadczalny) Janusz Andrzejewski 16

17 Zerowa zasada termodynamiki Jeżeli ciała A i B są one w równowadze termodynamicznej z trzecim ciałem C, to są one także w równowadze termodynamicznej ze sobą. Każde ciało ma pewną właściwość, którą nazywamy temperaturą. Kiedy dwa ciała znajdują się w stanie równowagi termodynamicznej, ich temperatury są równe. I na odwrót. Temperatura to parametr opisujący stan równowagi termodynamicznej układu. Janusz Andrzejewski 17

18 Pomiar temperatury Aby zdefiniować skalę temperatury należy wybrać jakieś powtarzalne, zależne od temperatury zjawisko i przypisać mu, w sposób dowolny, pewną wartość. Istnieją różne skale temperatury, m.in.: -Kelvina -Celsiusa -Fahrenheita Janusz Andrzejewski 18

19 Skala Celsjusza 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 Janusz Andrzejewski 19

20 Skala Farenheita Daniel Gabriel Fahrenheit ( ) użył do kalibracji: 0 o F temperatura solanki (lod, woda, sole) 100 o F temperatura żony W skali Fahrenheitatemperatura 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. Janusz Andrzejewski 20

21 Skala Farenheita, Celsiusa i Kelvina Każda z tych skal ma zero w innym miejscu!!! Janusz Andrzejewski 21

22 Liniowa rozszerzalność cieplna Rozszerzalność liniowa: L = αl T α współczynnik rozszerzalności liniowej Przykład: Jaka jest różnica długości legara betonowego o długości 12 m, pomiedzy latem (35 o C) i zimą (-5 o C)? L = 12 m T = 40 o C α= 12*10-6 /C L =12*10-6 *12 * 40 = 5.5*10-3 m = 5.5 mm Janusz Andrzejewski 22

23 Liniowa rozszerzalność cieplna Janusz Andrzejewski 23

24 Objętościowa rozszerzalność cieplna Rozszerzalność objętościowa: V = βv T β współczynnik rozszerzalności objętościowej Zmiana objętości wody od temperatury Janusz Andrzejewski 24

25 Termometry 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 objętościbazują 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, zemisją ciała doskonale czarnego nadają się do pomiaru wysokich temperatur i do pomiarów na odległość. Janusz Andrzejewski 25

26 Termometry Bolometryrównież 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 Janusz Andrzejewski 26

27 Ciepło: 1. «temperatura pośrednia między zimnem a gorącem» 2. «ciepła pogoda; też: okres ciepłej pogody» 3. «dobre, przyjazne uczucia» 4. «serdeczna, miła atmosfera» 5. «miłe wrażenie sprawiane przez ciepłe kolory lub dźwięki» 6. wielkość fizyczna która W języku codziennym przez ciepło rozumie się temperaturę otoczenia na poziomie optimum termicznego (tzw. komfort cieplny). Takie znaczenie słowa "ciepło" może być źródłem nieporozumień. Wynika to z faktu, że w języku potocznym termin ten określa stan ciała. Janusz Andrzejewski 27

28 Doświadczenie Jamesa Joule a ( ) W 1845 eksperyment, którego głównym stwierdzeniem jest: Energia mechaniczna i ciepło są sobie równoważne 1 cal = J Janusz Andrzejewski 28

29 Ciepło otoczenie T O otoczenie T O otoczenie T O układ T U układ T U układ T U T U > T O Q Q < 0 T U = T O Q = 0 T U < T O Q Q > 0 Ciepło jest energią przekazywaną między układem a jego otoczeniem na skutek istniejącej między nimi różnicy temperatury. Jednostką ciepła jest dżul Ciepło mówi o procesie przekazywania energii a nie o samej energii Ciepło [J] Temperatura [ C] Janusz Andrzejewski 29

30 Kaloria Kaloria(łac. calor ciepło) historyczna jednostka ciepła - ilość ciepła potrzebna do podgrzania, pod ciśnieniem 1 atmosfery, 1 g 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 Istnieje jeszcze kaloria termochemiczna: 1 cal = 4,184 J Brytyjska jednostka cieplna(british thermal unit Btu) zdefiniowana jest jako ilość ciepła niezbędna do podniesienia temperatury 1lb (funta) wody od 63 F do 64 F. Janusz Andrzejewski 30

31 Mechanizmy przekazywania ciepła Jak dokonuje się wymiana ciepła miedzy układem a otoczeniem? 1. Przewodnictwo cieplne 2. Konwekcja 3. Promieniowanie Janusz Andrzejewski 31

32 Mechanizmy przekazywania ciepła 1)Przewodzenie ciepła bezpośredni kontakt układów, wymiana energii odbywa się w wyniku oddziaływania cząsteczek ciał; Cząstki ciała się nie przesuwają. T1 2 P = ka dq dt dt = ka dx T x A powierzchnia przewodząca k wspł. przewodnictwa cieplnego Substancja 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 k[w/(m*k)] Janusz Andrzejewski 32

33 Mechanizmy przekazywania ciepła 2) 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; Janusz Andrzejewski 33

34 Mechanizmy przekazywania ciepła 3) Promieniowanie cieplne za pomocą fal elektromagnetycznych; nie jest potrzenaobecność materii dq 4 P = = σεst <= prawo Stefana-Boltzmana dt gdzie:σ=5,6703*10-8 W/(m 2 K 4 ) jest stałą Stefana-Boltzmanna, εjest zdolnością emisyjną ciała (0 do 1; może zależeć od długości fali), S jest powierzchnią ciała a T jego temperaturą. Janusz Andrzejewski 34

35 Ile tracimy energii Powierzchnia czlowieka około 1m 2 Zdolność emisyjna około 0.75; Temperatura otoczenia T e =20 ⁰C=293K Temperatura człowieka około T=37⁰C=310K ( ) 4 W ( 4 4 ) 8 W 2 4 T T = 0.75*5, m ( 310K ) ( 293K ) Pnet = εσs e 2 = 79 W czasie doby 24h=86400s, tracimy: Q = P net t m = 79 W 86400s = 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 K 6 J Janusz Andrzejewski 35

36 POCHŁANIANIE CIEPŁA Pojemność cieplnaciała wyraża ilość ciepła pobraną lub oddaną przez to ciało przy zmianie jego temperatury: C Q T Ciepło właściwe:pojemność cieplna na jednostkę masy ciała. C Q m T Janusz Andrzejewski 36

37 Przemiany fazowe Stan stały objętość i kształt są w zasadzie zachowane Stan ciekły trudno zmienić objętość, a kształt łatwo; w otwartym naczyniu w polu grawitacyjnym tworzy się powierzchnia swobodna Stan gazowy substancja przyjmuje objętość i kształt naczynia, zajmuje całą dostępną przestrzeń, czyli nie tworzy powierzchni swobodnej Janusz Andrzejewski 37

38 Janusz Andrzejewski 38

39 CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH Ilość energii, która w postaci ciepła trzeba przekazać jednostkowej masie substancji, aby uległa ona przemianie fazowej, jest nazywana ciepłem przemiany (ciepło parowania, ciepło topnienia itd.): Q c przemiany = m Janusz Andrzejewski 39

40 Diagramy fazowe CO 2 H 2 O Janusz Andrzejewski 40