Temperatura i ciepło

Transkrypt

1 Temperatura i ciepło

2 Zerowa zasada termodynamiki Ciepło: Sposób przekazu energii wewnętrznej w skutek różnicy temperatur Ciała są w kontakcie termalnym jeżeli ciepło może być przekazywane między nimi Kiedy przepływ ciepła zatrzymuje się, ciała są w równowadze termicznej

3 Temperatura a zerowa zasada termodynamiki Zerowa zasada termodynamiki: Jeśli układy A i B mogące ze sobą wymieniać ciepło są ze sobą w równowadze termicznej, i to samo jest prawdą dla układów B i C, to układy A i C również są ze sobą w równowadze termicznej.

4 Temperatura a zerowa zasada termodynamiki

5 Skale temperatur Skala Celsjusza: Woda zamarza przy 0 C. Woda gotuje się przy 100 C. Skala Fahrenheita: Woda zamarza przy 32 F. Woda gotuje się przy 212 F.

6 Skale temperatur Przejście od skali Fahrenheita do Celsjusza: Przejście od skali Celsjusza do Fahrenheiata:

7 Skale temperatur Ciśnienie w gazach jest proporcjonalne do temperatury. Nie zależnie od stałej proporcji, wszystkie gazy osiągają zerowe ciśnienie w tym samym punkcie temperaturowym

8 Skale temperatur

9 Rozszerzalność cieplna Większość substancji rozszerza się pod wpływem wzrostu temperatury; zmiana objętości czy długości jest proporcjonalna do zmiany temperatury. Współczynnik ten nazywa się współczynnikiem rozszerzalności liniowej (objętościowej)

10 Rozszerzalność cieplna Niektóre wartości współczynników rozszerzalności liniowej:

11 Rozszerzalność cieplna Dwa metale o różnych wsp. rozszerzalności będą zmieniać swoją długość odpowiednio do wartości wsp. Jeżeli są ze sobą połączone to będą się wyginać.

12 Rozszerzalność cieplna Rozszerzalność w płaszczyźnie jest wyliczana na podstawie wsp. liniowego: Otwory też się zwiększają:

13 Rozszerzalność cieplna Zmiana objętości ciała stałego też jest obliczana na podstawie wps. liniowego: Dla płynów i gazów zdefioniowany jest tylko współczynnik rozszerzalności objętościowej:

14 Rozszerzalność cieplna Niektóre wartości współczynników rozszerzalności objętościowej:

15 Rozszerzalność cieplna Woda zwiększa swoją objętość kiedy jest podgrzewana, oprócz zakresu temperatur bliskich 0 C. W zakresie od 4 C to 0 C woda rozszerza się. Dlatego lód pływa na powierzchni wody.

16 Ciepło i praca mechaniczna Eksperymenty udowodniły że ciepło to jest jedna z form energii James Joule użył urządzenia jak po prawej na rysunku aby obliczyć mechaniczny odpowiednik ciepła

17 Ciepło właściwe Ciepło właściwe niektórych materiałów

18 Przewodzenie, konwekcja i promieniowanie Przewodzenie, konwekcja i promieniowanie to są trzy rodzaje transportu ciepła. Przewodzenie to jest bezpośredni przepływ ciepła w ośrodku.

19 Przewodzenie, konwekcja i promieniowanie Doświadczalnie ustalono, że ilość ciepła Q które przepływa przez pręt: zwiększa się proporcjonalnie do pola przekroju poprzecznego A zwiększa się proporcjonalnie do różnicy temperatur na końcach pręta rośnie równomiernie w czasie zmniejsza się wraz z długością pręta

20 Przewodzenie, konwekcja i promieniowanie Otóż otrzymujemy: Stała k przewodnictwo cieplne pręta

21 Przewodzenie, konwekcja i promieniowanie Przewodnictwo cieplne niektórych materiałów: Substancje o wysokim przewodnictwie cieplnym dobrze przewodzą ciepło i odwrotnie.

22 Przewodzenie, konwekcja i promieniowanie Konwekcja to proces przekazywania ciepła związany z makroskopowym ruchem materii w gazie czy cieczy

23 Przewodzenie, konwekcja i promieniowanie Promieniowanie opisuje się prawem StefanaBoltzmanna: Tutaj e zdolność emisyjna a σ jest stałą Stefana-Boltzmanna:

24 Big Bang stopnie Kelvina [K] 0K wnętrze Słońca Antarktyka: (k. Neptuna): 235 promieniowanie C = 38 K 0 K (0 C = 273 K) reliktowe ciekły He (2,7 K) powierzchnia 0 Tryton (100 K) -89o CC== Słońca o (4,2 K) parowanie He3 rozpuszczanie izotopów mili-, mikroi nanokelwiny He 0,001 0, , kelwina

25 Chłodzenie laserowe Cel obniżyć energię wewnętrzną grupy atomów, co powoduje obniżenie temperatury Jednorodna grupa atomów jest oświetlana przez układ laserów które mają częstotliwość nie dużo mniejszą od częstotliwości rezonansowej atomów Prędkość atomu ma przeciwny zwrot niż wiązka laserowa, przy oddziaływaniu z fotonami atom widzi foton o wyższej częstotliwości, z powodu efektu Dopplera Atomu pochłaniają fotony i przechodzą do stanów wzbudzonych. Ze względu na mniejszą energie fotonów część energii będzie potrącona z energii atomu. Atom następnie emituje foton o energii fo w dowolnym kierunku, więc w całym tym procesie atomy tracą energię kinetyczną

26 Jak chłodzimy atomy? Podstawy chłodzenia i pułapkowania atomów światłem laserowym Nobel 1997 S.Chu C.Cohen-Tannoudji W.Phillips atomy sodu: M=23, λ = 590 nm v = 600 m/s (@ 400 K) CHŁODZENIE ATOMÓW FOTONAMI: wiązka lasera po zabsorb. 1 fotonu: vr = ħk/m = 3 cm/s wiązka atomów fotonów do I = 6 mw/cm2 czas zatrzymania: 1 ms droga hamowania: 0,5 m przyspieszenie: 106 m/s2

27 Gaz atomowy? dwie przeciwbieżne wiązki laserowe ω0 (ta sama częstość; ωl < ω0) ωl siła ωl ω0 częstość atom widzi światło przestrojone dopplerowsko Dla ωl<ω0, efekt Dopplera dostraja atomy do rezonansu z przeciwbieżnymi wiązkami na atomy lecące ku dowolnej, działa spowalniająca siła ciśnienia światła Spowalnianie atomów = chłodzenie

28 Chłodzenie laserowe Częstość rezonansowa atomu Każdy atom posiada częstość rezonansową Atom będzie absorbować foton tylko wtedy kiedy częstość fotonu jest równa rezonansowej atomu Efekt Dopplera Poruszając się w kierunku przecinym do kierunku rozchodzenie się fali jej obserwowana długość i częstość będą inne niż rzeczywiste. Efekt Dopplera można opisać wzorem Kiedy atom pochłania foton przechodzi do stanu wzbudzonego Później ten foton o energii hνo jest emitowany w losowym kierunku Tutaj v jest prędkością obserwatora fo jest częstość widziana przez obserwatora fs częstość rzeczywista fali

29 Chłodzenie laserowe Chłodzenie dopplerowskie umożliwia zejście do temperatru rzędu mikro kelwinów Niższe temperature są nie do osiągnięcia przez to że atom emitując foton zawsze dostaje dodaktowy pęd, który nie może być zerowy,. Minimum temperatury jest określony: Chłodzenie dopplerowskie nie jest też efektywne w przypadku dużych molekuł czy jonów To go beyond Doppler cooling additional methods are employed. Chłodzenie Syzyfowe Zmniejszania energii kinetycznej atomów (temperatury rzędu 0,1 µk), oraz utrzymywania ich przez pewien czas w małym obszarze, wykorzystująca światło laserowe i pole magnetyczne

30 Jeszcze niższe temperatury? ciemne pułapki bez światła + odparowanie 300 K 100 µk Pułapka MOT Pułapka MT 100 nk