Wykład z Termodynamiki II semestr r. ak. 2009/2010 Literatura do wykładu 1. F. Reif - "Fizyka Statystyczna- PWN 1971. 2. K. Zalewski, - "Wykłady z termodynamiki fenomenologicznej i statystycznej- PWN 1978. 3. K. Zalewski, - "Wykłady z mechaniki i termodynamiki statystycznej dla chemików- PWN 1982. 4. C. Kittel, - "Physik der Wärme- John Wiley 1973, lub odpowiednik w innym języku. 5. A.K. Wróblewski, J.A. Zakrzewski, - "Wstęp do fizyki tom 1. PWN 1976 6. J.P. Holman, - Thermodynamics, Third edition, Mc GRAW-HILL BOOK COMPANY, 1985 2011-02-28 Reinhard Kulessa 1
Termin Egzaminu Propozycja terminu egzaminu testowego koniec zajęć 14 czerwca egzamin Uprzejmie informuję, że egzamin z termodynamiki w I terminie odbędzie się w dniu 15,16,17??? czerwca 2011 r. w godzinach 9.00-15.00 2011-02-28 Reinhard Kulessa 2
Wykład 1 1 Wiadomości wstępne 1.1 Natura termodynamiki Wiadomo, że tak jak dawniej, tak również obecnie energia napędza społeczność ludzką. Wszystko co jest dostępne ludzkości, dobra, usługi, produkcja materialna jest w prostej zależności do ilości używanej na głowę energii. Termodynamika zajmuje się badaniem energii i jej przemian. Mogłoby to oznaczać, że termodynamika jest nauką najsilniej związaną z potrzebami człowieka Wiemy jak wiele jest różnych rodzajów energii. Wszystkie one mogą stać się przedmiotem rozważań termodynamicznych. 2011-02-28 Reinhard Kulessa 3
Zobaczymy później, że prawa termodynamiki ograniczają ilość energii dostępnej dla wykonania pożytecznej pracy. To narzuca konieczność jak najbardziej wydajnego korzystania ze źródeł energii, używania tylko najbardziej wydajnych procesów przetwarzania energii. Znane nam są następujące rodzaje energii: elektryczna, magnetyczna, jądrowa, chemiczna, energia tarcia, zawarta w kwancie świetlnym. Ogólnie rzecz biorąc, termodynamika zajmuje się głównie dwoma rodzajami energii, ciepłem i pracą. Na początku wykładu omówimy krótko szeroki zakres zagadnień termodynamicznych. 2011-02-28 Reinhard Kulessa 4
1.2 Związki pomiędzy mechaniką klasyczną a termodynamiką Zagadnienia mechaniki klasycznej obejmują takie pojęcia jak siła, masa, odległość, czas i inne. Siłę rozumiemy jako coś co ciągnie lub pcha, a matematycznie reprezentowane jest przez wektor. Mechanika opiera się na II prawie Newtona: F = d ( mv ) dt Do opisu zjawisk mechaniki stosuje się ciało swobodne na które działają wszystkie siły zgodnie z II zasadą dynamiki. System (układ) mechaniczny jest zdefiniowany przez współrzędne przestrzenne i prędkość. 2011-02-28 Reinhard Kulessa 5
Oddziaływanie z otoczeniem jest opisane przez działanie sił. Stan układu jest opisany przez współrzędne przestrzenne, prędkość i jego zachowanie się. Zmiana stanu układu z jednego do drugiego jest opisany przez oddziaływanie z otoczeniem. Układ mechaniczny nie zmienia swego stanu bez działania siły zewnętrznej. Podczas, gdy w mechanice zajmujemy się wielkościami dynamicznymi, w termodynamice zajmujemy się porcjami energii. Układem w termodynamice nazywamy wyodrębnioną ilość materii. Materia pozostała poza układem stanowi otoczenie a granicę pomiędzy tymi dwoma stanami stanowi brzeg układu. 2011-02-28 Reinhard Kulessa 6
Np. masa powietrza zamknięta w butli pod ciśnieniem stanowi układ, wewnętrzna ściana butli to brzeg układu, a sama butla i to co na zewnątrz stanowi otoczenie. Sprężone powietrze Brzeg układu Otoczenie Granice naszego układu mogą być rzeczywiste lub urojone. 2011-02-28 Reinhard Kulessa 7
Stan układu termodynamicznego opisany jest przez współrzędne termodynamiczne. Zwykle nie możemy na początku podać wszystkich współrzędnych. Typowymi przykładami takich współrzędnych są temperatura, ciśnienie, objętość, gęstość, energia chemiczna, ilość substancji. Te współrzędne zwykle nazywamy własnościami układu. Rozważmy krótko niektóre z podanych współrzędnych TEMPERATURA = stan ciepłoty, gorąca Wolno poruszające się atomy lub cząsteczki maja niską temperaturę. Szybko poruszające się atomy lub cząsteczki maja wysoką temperaturę. 2011-02-28 Reinhard Kulessa 8
Wysoka T v Niska T CIŚNIENIE = siła działająca na powierzchnię p = F A F A zderzenie ciężar 2011-02-28 Reinhard Kulessa 9
GĘSTOŚĆ = masa na jednostkę objętości ρ = m τ Duża gęstość Mała gęstość ILOŚĆ SUBSTANCJI = ile tego jest 1 2 3 12 144 6.022 10 23 Liczba Avogadry tuzin.... gross 2011-02-28 Reinhard Kulessa 10
STANY SKUPIENIA Ciało stałe Ciecz Gaz Plazma 2011-02-28 Reinhard Kulessa 11
Stany skupienia materii ściśle zależą od wartości określonych współrzędnych termodynamicznych. Są nimi ciśnienie i temperatura. p p K p P Ciało stałe Punkt Potrójny Ciecz Para Punkt Krytyczny Gaz Plazma T P T K T 2011-02-28 Reinhard Kulessa 12
Zmiana układu termodynamicznego polega na zachodzeniu jakiegoś procesu przemiany. W termodynamice interesuje nas, jakim zmianom może podlegać układ na wskutek tych przemian. Jeśli chcemy opisać stan układu na każdym etapie przemiany, musimy być w stanie zdefiniować stan układu. Aby to móc zrobić musimy wprowadzić pojęcie równowagi układu. Układ jest w równowadze, jeśli np. jego ciśnienie, temperatura i gęstość są jednorodne. Definicja ta jednak nie jest pełna. Aby móc określić współrzędne termodynamiczne układu, musi on znajdować się w równowadze. 2011-02-28 Reinhard Kulessa 13
Interesują nas przemiany będące ciągiem (łańcuchem) stanów równowagi. W takiej przemianie potrafimy zdefiniować układ na każdym etapie. Procesy takie nazywamy odwracalnymi lub kwazistatycznymi. Proces odwracalny jest to proces który może przebiegać w obydwie strony nieskończenie długo bez strat. Proces nieodwracalny jest to taki w którym mamy do czynienia ze stratą energii. Przyczynami takich strat mogą być: Tarcie, spadki napięcia, temperatury, ciśnienia i stężenia. Przykładem procesu nieodwracalnego jest pęknięcie nadmuchanego balonika. 2011-02-28 Reinhard Kulessa 14
X Proces nieodwracalny, chyba Że dostarczy się energii Dobrym przykładem na proces odwracalny lub nieodwracalny jest wymiana dewiz. Jest to proces odwracalny zakładając stały kurs i brak opłaty, a nieodwracalny w przypadku pobierania opłaty za wymianę. 2011-02-28 Reinhard Kulessa 15
1.3 Temperatura, ciepło i zerowa zasada termodynamiki Zwykle przyjmuje się, że rozumiemy pojęcie ciepła i temperatury. Termodynamika zajmuje się badaniami mającymi na celu precyzyjne rozumienie tych pojęć. Zwykle intuicyjne pojmowanie temperatury kiedy czegoś dotykamy wiąże się z transportem energii lub wymianą ciepła. Można więc wywnioskować, że pomiędzy dwoma ciałami o tej samej temperaturze nie ma wymiany ciepła. Równość temperatury nie wystarcza do stworzenia bezwzględnej skali temperatur. Pojęcie równości temperatur ujmuje tzw. zerowa zasada termodynamiki. Mówi ona, że: 2011-02-28 Reinhard Kulessa 16
Jeśli dwa ciała są w równowadze termicznej z ciałem trzecim, to są również w równowadze wzajemnej. Warunkiem pełnej równowagi tych ciał jest również równość ich ciśnień, brak reakcji chemicznych przy doprowadzeniu tych ciał do kontaktu. Ciepło jest strumieniem energii wynikającym z różnicy temperatur Na następnej stronie pokazany jest przykład pojawienia się przepływu ciepła. 2011-02-28 Reinhard Kulessa 17
T 1 temperatura w pręcie T 2 T 1 > T 2 T 1 T 2 ciepło Kule i pręt miedziany 2011-02-28 Reinhard Kulessa 18
1.4 Skale temperatur Używaną na co dzień skalą temperatur jest skala Celsjusza( 0 C). Absolutną termodynamiczną skalą odpowiadającą skali Celsjusza jest skala Kelvina(K). Inną skalą jest skala Farenheita( 0 F), dla której skalą absolutną jest skala Rankine a( 0 R). Dla skali Kelvina i Rankine a zro absolutne jest takie same; -273.15 0 C. 0 F = 32.0 + 9/5 0 C 0 R = 0 F +459.67 K = 0 C + 273.15 0 R = 9/5 K Na następnej stronie przedstawione są niektóre punkty termometryczne dla skali Celsjusza.. 2011-02-28 Reinhard Kulessa 19
Ciśnienie normalne p 0 = 1.0232 10 5 N/m 2 1 Punkt potrójny wodoru -259.34 2 Punkt wrzenia wodoru -256.108 3 Punkt wrzenia wodoru pod p 0-252.87 4 Punkt wrzenia neonu pod p 0-246.048 5 Punkt potrójny tlenu -218.789 6 Punkt wrzenia tlenu p 0-182.962 7 Punkt potrójny wody 0.01 8 Punkt wrzenia wody p 0 100.00 9 Punkt krzepnięcia cynku 419.58 10 Punkt krzepnięcia srebra 961.93 11 Punkt krzepnięcia złota 1064.43 2011-02-28 Reinhard Kulessa 20
1.5 Pojęcie stanu układu Wiemy z obserwacji, że pewne własności materii są funkcjonalnie związane ze sobą: rozszerzalność cieplna temperatura ciśnienie objętość i temperatura Stwierdziliśmy, że stan układu możemy określić gdy znajduje się on w warunkach równowagi. Zachodzi pytanie ilu współrzędnych potrzebujemy aby tego dokonać. W mechanice dla opisania pozycji na płaszczyźnie wystarczą dwie współrzędne w układzie kartezjańskim, a w przestrzeni trzy. Stan lub pozycja cząstki jest w pełni oddana przez współrzędne układu kartezjańskiego. Jeśli jednak chcemy opisać stan dynamiczny układu, musimy podać współrzędne prędkości. 2011-02-28 Reinhard Kulessa 21
W termodynamice występować będą pewne pierwotne własności konieczne do określenia stanu układu, podczas gdy pozostałe będą funkcjonalnie od nich zależne. Liczbę pierwotnych parametrów koniecznych do określenia stanu układu możemy uzyskać tylko z doświadczenia. Dla gazu idealnego do określenia jego stanu wystarczą dwie z pośród trzech wielkości, ciśnienia, temperatury i objętości. 2011-02-28 Reinhard Kulessa 22