Temperatura jest wspólną własnością dwóch ciał, które pozostają ze sobą w równowadze termicznej.

Transkrypt

1 1

2 Ciepło jest sposobem przekazywania energii z jednego ciała do drugiego. Ciepło przepływa pod wpływem różnicy temperatur. Jeżeli ciepło nie przepływa mówimy o stanie równowagi termicznej. Zerowa zasada termodynamiki: jeśli ciało A jest w równowadze termicznej z ciałem B, a ciało B jest w równowadze termicznej z ciałem C, to ciała A i C również są w równowadze termicznej. Temperatura jest wspólną własnością dwóch ciał, które pozostają ze sobą w równowadze termicznej. 2

3 Skala Celsjusza: 1 C jest równy 1/100 różnicy temperatur topnienia lodu i wrzenia wody. Skala Kelwina: 1 K= 1/ temperatury punktu potrójnego wody (0 K= C) W termometrze wykorzystuje się zjawisko rozszerzalności cieplnej cieczy (np. rtęci) 3

4 Gaz doskonały jest wyidealizowanym modelem gazu spełniającym następujące warunki: 1. Cząsteczki gazu mają zaniedbywalnie małe rozmiary 2. Cząsteczki poruszją się chaotycznie 3. Cząsteczek jest bardzo dużo 4. Brak jest oddziaływań między cząsteczkami innych niż zderzenia sprężyste 5. Poza momentami zderzenia na cząstki nie działają żadne siły Rzeczywiste gazy nie spełniają ściśle powyższych założeń. Dobrym przybliżeniem gazu idealnego jest gaz pod niskim ciśnieniem. Stan gazu doskonałego opisują zmienne termodynamiczne: 1. Temperatura: T 2. Ciśnienie: P 3. Objętość: V 4

5 Równanie Clapeyrona opisuje związek pomiędzy zmiennymi termodynamicznymi gazu doskonałego PV NRT P ciśnienie (siła/powierzchnię) V objętość N liczba moli gazu R uniwersalna stała gazowa (R=8.315 J mol/k) T temperatura w Kelwinach 5

6 Opadające ciężarki powodują obrót łopatek, które na skutek tarcia o wodę powodują wzrost jej temperatury 2mgh T Energia J powoduje wzrost temperatury 1g wody o 1 C. 1 kaloria J 6

7 Jaką pracę W należy wykonać aby spalić posiłek o wartości energetycznej 2000 kilokalorii? Zakładamy, że wykonujemy ćwiczenie polegające na podnoszeniu ciężaru o masie 50 kg na wysokość 2m. W cal 4.186J / cal J n 6 J nmgh kg 9.81m / s 6 8 J 3 2 2m razy!!! 7

8 Dostarczenie energii do ciała bez wykonania nad nim pracy powoduje wzrost jego temperatury. Na przykład aby temperatura 1g wody wzrosła o 1 C musimy dostarczyć J energii cieplnej (1 kalorię). Q C T Pojemość ciepla C jest ilością ciepła potrzebną do ogrzania ciała o 1 C c Q m T Ciepło właściwe c jest pojemnością cieplną przypadająca na jednostkę masy (masowe ciepło właściwe), lub jednostkę ilości materii (molowe ciepło właściwe 8

9 Wartości ciepła właściwego różnych substancji (w temperaturze pokojowej i ciśnieniu atmosferycznym) Substancja Ciepło właściwe [J/kg K] woda 4181 para wodna (100 C) 2010 drewno 1700 szkło 837 marmur 860 aluminium 900 złoto 129 9

10 Dostarczanie energii cieplnej ciału może prowadzić do jego ogrzania, ale może też doprowadzić do przemiany fazowej. Ciepłem przemiany L nazywamy stosunek ciepła potrzebnego do zajścia przemiany w danej substacji do masy tej substancji. Q L m woda + para para definicja ciepła przemiany lód + woda woda lód Ciepło topnienia lodu: L= J/kg Energia dostarczona [J] Ciepło parowania wody: L= J/kg 10

11 W V V f i PdV Konwencja: W>0 gdy pracę wykonuje układ W<0 gdy praca jest wykonywana nad układem Objętość gazu rośnie o dv F PA Ady dv Praca = pole pod krzywą P(V) dw Fdy PAdy PdV 11

12 Praca W podczas przemiany zależy nie tylko od stanu początkowego i końcowego, ale także od sposobu przeprowadzenia przemiany. Analogiczne stwierdznie dotyczy ciepła Q wymienionego pomiędzy układem a otoczenim. 12

13 Zarówno praca W wykonana przez układ jak i ciepło Q pochłonięte przez układ zależą od sposobu przeprowadzenia przemiany. Różnica Q-W nie zależy jednak od sposobu przeprowadzenia przemiany Różnicę Q-W nazywamy zmianą energii wewnętrznej U układu. Zmiana energii wewnetrznej zależy tylko od stanu początkowego i stanu końcowego. U Q W zmiana energii wewnętrznej układu ciepło dostarczone do układu praca wykonana przez układ 13

14 Energia wewnętrzna całkowita energia zgromadzona w ciele. Jest ona sumą całkowietej energii kinetycznej i potencjalnej cząsteczek tworzących układ. Dla układu izolowanego: W Q 0 czyli: U 0 lub U const Pierwsza zasada termodynamiki jest sposobem wyrażenia zasady zachowania energii. 14

15 Przemiana adiabatyczna: Q=0 U W Przemiana izobaryczna: P=const W P V f V i Przemiana izochoryczna: V=const U Q Przemiana izotermiczna: T=const W Q czyli U 0 A-izochora B-adiabata C-izoterma D-izobara 15

16 praca = pole Przemiana cyklicznaprzemiana, w której stan końcowy jest taki sam jak stan początkowy Praca w przemianie cyklicznej jest równa polu zamkniętemu krzywą 16

17 Silnik cieplny urządzenie przekształcające energię wewnętrzną w energię mechaniczą 17

18 Praca wykonana przez silnik cieplny jest równa różnicy między ciepłem pobranym od grzejnika a ciepłem oddanym do chłodnicy W Q 1 Q 2 Sprawność silnika definiujemy jako stosunek pracy wykonanej do pobranego ciepła: W Q Q 1 Q 1 Q1 2 Zbiornik o T 1 Q 1 Silnik Q 2 Zbiornik o T 2 <T 1 W=Q 1- Q 2 18

19 Nie można skonstruować silnika który zamieniałby całe ciepło pobrane w pracę. Zbiornik o T 1 Q 1 Silnik W=Q 1 Zbiornik o T 2 19

20 Pierwsza zasada termodynamiki: nie można skonstruować maszyny, która wytwarza więcej energii niż sama zużywa. Druga zasada termodynamiki: nie można skonstruować maszyny, która zamienia całą pobraną energię w pracę. 20