Wykład 6: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

Podobne dokumenty
Wykład 6: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

Wykład 7: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

= = Budowa materii. Stany skupienia materii. Ilość materii (substancji) n - ilość moli, N liczba molekuł (atomów, cząstek), N A

Termodynamika. Energia wewnętrzna ciał

Podstawowe pojęcia Masa atomowa (cząsteczkowa) - to stosunek masy atomu danego pierwiastka chemicznego (cząsteczki związku chemicznego) do masy 1/12

TERMODYNAMIKA Zajęcia wyrównawcze, Częstochowa, 2009/2010 Ewa Mandowska

Jednostki podstawowe. Tuż po Wielkim Wybuchu temperatura K Teraz ok. 3K. Długość metr m

Wykład FIZYKA I. 14. Termodynamika fenomenologiczna cz.ii. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Fizyka 14. Janusz Andrzejewski

WYKŁAD 2 TERMODYNAMIKA. Termodynamika opiera się na czterech obserwacjach fenomenologicznych zwanych zasadami

Podstawy termodynamiki

TERMODYNAMIKA. przykłady zastosowań. I.Mańkowski I LO w Lęborku

10. FALE, ELEMENTY TERMODYNAMIKI I HYDRODY- NAMIKI.

Maszyny cieplne substancja robocza

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

Układ termodynamiczny Parametry układu termodynamicznego Proces termodynamiczny Układ izolowany Układ zamknięty Stan równowagi termodynamicznej

Podstawy fizyki sezon 1 X. Elementy termodynamiki

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

TERMODYNAMIKA FENOMENOLOGICZNA

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

b) Wybierz wszystkie zdania prawdziwe, które odnoszą się do przemiany 2.

Kinetyczna teoria gazów Termodynamika. dr Mikołaj Szopa Wykład

Przemiany termodynamiczne

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Termodynamika. Część 5. Procesy cykliczne Maszyny cieplne. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Zmiana energii wewnętrznej ciała lub układu ciał jest równa sumie dostarczonego ciepła i pracy wykonanej nad ciałem lub układem ciał.

termodynamika fenomenologiczna

Termodynamika. Cel. Opis układu niezależny od jego struktury mikroskopowej Uniwersalne prawa. William Thomson 1. Baron Kelvin

Termodynamika. Część 4. Procesy izoparametryczne Entropia Druga zasada termodynamiki. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

GAZ DOSKONAŁY. Brak oddziaływań między cząsteczkami z wyjątkiem zderzeń idealnie sprężystych.

b) Wybierz wszystkie zdania prawdziwe, które odnoszą się do przemiany 2.

Temperatura. Zerowa zasada termodynamiki

T 1 > T 2 U = 0. η = = = - jest to sprawność maszyny cieplnej. ε = 1 q. Sprawność maszyn cieplnych. Z II zasady termodynamiki wynika:

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Teoria kinetyczna INZYNIERIAMATERIALOWAPL. Kierunek Wyróżniony przez PKA

Ciśnienie i temperatura model mikroskopowy

Spis treści. Przedmowa WPROWADZENIE DO PRZEDMIOTU... 11

Termodynamika cz.1. Ziarnista budowa materii. Jak wielka jest liczba Avogadro? Podstawowe definicje. Notes. Notes. Notes. Notes

Podstawowe pojęcia 1

Stany skupienia materii

S ścianki naczynia w jednostce czasu przekazywany

Temperatura, ciepło, oraz elementy kinetycznej teorii gazów

ZADANIA Z FIZYKI - TERMODYNAMIKA

TERMODYNAMIKA I TERMOCHEMIA

Podstawowe prawa opisujące właściwości gazów zostały wyprowadzone dla gazu modelowego, nazywanego gazem doskonałym (idealnym).

Ciepła tworzenia i spalania (3)

Stany materii. Masa i rozmiary cząstek. Masa i rozmiary cząstek. m n mol. n = Gaz doskonały. N A = 6.022x10 23

FIZYKA STATYSTYCZNA. d dp. jest sumaryczną zmianą pędu cząsteczek zachodzącą na powierzchni S w

Ciepło właściwe. Autorzy: Zbigniew Kąkol Bartek Wiendlocha

Druga zasada termodynamiki, odwracalność przemian, silniki cieplne, obiegi

1 Wymagania egzaminacyjne na egzamin maturalny - poziom rozszerzony: fizyka

Podstawy termodynamiki

Plan wykładu. Termodynamika cz.1. Jak wielka jest liczba Avogadro? Ziarnista budowa materii

Temperatura i ciepło E=E K +E P +U. Q=c m T=c m(t K -T P ) Q=c przem m. Fizyka 1 Wróbel Wojciech

Druga zasada termodynamiki, odwracalność przemian, silniki cieplne, obiegi

Maszyny cieplne i II zasada termodynamiki

Plan wykładu. Termodynamika cz.1. Jak wielka jest liczba Avogadro? Ziarnista budowa materii

ELEMENTY TERMODYNAMIKI

Obiegi gazowe w maszynach cieplnych

Termodynamika. pv=nrt. f 2 Energia wewnętrzna 1 MAKROSKOPOWO. pv=nk B T MIKROSKOPOWO. Fizyka 1 Wróbel Wojciech. Zderzenia. Pęd przekazywany ściance

3. Przyrost temperatury gazu wynosi 20 C. Ile jest równy ten przyrost w kelwinach?

GAZ DOSKONAŁY W TERMODYNAMICE TO POJĘCIE RÓŻNE OD GAZU DOSKONAŁEGO W HYDROMECHANICE (ten jest nielepki)

Przemiany gazowe. 4. Który z poniższych wykresów reprezentuje przemianę izobaryczną: 5. Który z poniższych wykresów obrazuje przemianę izochoryczną:

Wykład 4. Przypomnienie z poprzedniego wykładu

Przemiany energii w zjawiskach cieplnych. 1/18

Krótki przegląd termodynamiki

1 I zasada termodynamiki

1. PIERWSZA I DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI TERMOCHEMIA

Wykład 3. Entropia i potencjały termodynamiczne

Spis treści. PRZEDMOWA. 11 WYKAZ WAśNIEJSZYCH OZNACZEŃ. 13 I. POJĘCIA PODSTAWOWE W TERMODYNAMICE. 19

1. 1 J/(kg K) nie jest jednostką a) entropii właściwej b) indywidualnej stałej gazowej c) ciepła właściwego d) pracy jednostkowej

Termodynamika Termodynamika

Obieg Ackeret Kellera i lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga) podstawy teoretyczne i techniczne możliwości realizacji

Wykład 1. Anna Ptaszek. 5 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 1. Anna Ptaszek 1 / 36

Równanie gazu doskonałego

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

FIZYKA STATYSTYCZNA. Liczne eksperymenty dowodzą, że ciała składają się z wielkiej liczby podstawowych

Temodynamika Roztwór N 2 i Ar (gazów doskonałych) ma wykładnik adiabaty κ = 1.5. Określić molowe udziały składników. 1.7

Termodynamika cz. 2. Gaz doskonały. Gaz doskonały... Gaz doskonały... Notes. Notes. Notes. Notes. dr inż. Ireneusz Owczarek

Chemia Fizyczna Technologia Chemiczna II rok Wykład 1. Kierownik przedmiotu: Dr hab. inż. Wojciech Chrzanowski

WYZNACZANIE STOSUNKU c p /c v

100 29,538 21,223 38,112 29, ,118 24,803 49,392 41,077

4. Przyrost temperatury gazu wynosi 20 C. W kelwinach przyrost ten jest równy

Elementy termodynamiki i wprowadzenie do zespołów statystycznych. Katarzyna Sznajd-Weron

Zasady termodynamiki

Spis tres ci 1. Wiadomos ci wste pne

Elementy tworzące świat i ich wzajemne oddziaływanie: b) zjawiska cieplne

4. 1 bar jest dokładnie równy a) Pa b) 100 Tr c) 1 at d) 1 Atm e) 1000 niutonów na metr kwadratowy f) 0,1 MPa

Przegląd termodynamiki II

Zadanie 1. Zadanie: Odpowiedź: ΔU = 2, J

Równowaga w układach termodynamicznych. Katarzyna Sznajd-Weron

(1) Równanie stanu gazu doskonałego. I zasada termodynamiki: ciepło, praca.

Termodynamika program wykładu

Zadanie 1. Zadanie: Odpowiedź: ΔU = 2, J

Energetyka odnawialna i nieodnawialna

FIZYKA CZĄSTECZKOWA I TERMODYNAMIKA

Termodynamika. Q=c m T. f 2 Energia wewnętrzna. Fizyka 1 Wróbel Wojciech

W pierwszym doświadczeniu nastąpiło wrzenie wody spowodowanie obniżeniem ciśnienia.

Termodynamiczny opis przejść fazowych pierwszego rodzaju

Transkrypt:

Wykład 6: Przekazywanie energii elementy termodynamiki dr inż. Zbigniew Szklarski szkla@agh.edu.pl http://layer.uci.agh.edu.pl/z.szklarski/

Temperatura Fenomenologicznie wielkość informująca o tym jak ciepłe/zimne jest dane ciało. Kinetyczno-molekularnie - jest określona przez średnią energię kinetyczną ruchu cząsteczek ciała. 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i

Pomiar temperatury Zmiana temperatury zmiany własności ciał termoskop Zasada pomiaru opiera się na ZEROWEJ ZASADZIE TERMODYNAMIKI Wyskalowany termoskop termometr 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 3

Skale temperatur Punkty termometryczne: punkt potrójny wody 73,6 K wrząca woda topniejący lód t C T K 73,5 t C T K temp. ciała krzepnący roztwór salmiaku 9 t F ( tc + 3) 5 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 4

Kinetyczno-molekularna interpretacja temperatury, energii wewnętrznej i ciepła Związek energii kinetycznej cząsteczki z temperaturą: E k ~ kt gdzie k stała Boltzmana Dla cząsteczki jednoatomowej 3 E k kt Dla cząsteczki dwuatomowej 5 E k kt ponieważ:. 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 5

Stopnie swobody cząsteczek Liczba danych koniecznych i wystarczających do określenia położenia ciała w przestrzeni 3 5 Dla cząsteczki dwuatomowej 7 E k m x + m y + m z + I y y + I z z 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 6

Zgodnie z zasadą ekwipartycji energii na każdy stopień swobody przypada ta sama średnia wartość energii kinetycznej m i I i i kt dla cząsteczki jednoatomowej: stąd dla cząsteczki dwuatomowej: 3 E k Przepływ ciepła przekaz energii kt 5 E k kt 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 7

Przewodnictwo cieplne T T T > T L S ciepło Przepływ ciepła w jednostce czasu: Q t S T T L dq dt S dt dx gdzie - przewodność cieplna materiału W/m s K Materiał ሾW/m s Kሿ stal 40 szkło 0,84 styropian 0,036 powietrze 0,05 Minus oznacza przepływ ciepła przeciwnie do gradientu temperatury. Dla konkretnej przegrody współczynnik przenikania ciepła: U L Przykładowo, dla ścian zewnętrznych budynków mieszkalnych współczynnik przenikania ciepła nie powinien być większy niż 0,3 W m K, niezależnie od rodzaju ściany. Przykład: Obliczyć szybkość przepływu ciepła przez szybę o grubości 3 mm i wymiarach m x,5 m, przy różnicy temperatur 0 C między jej powierzchniami. Odp.: 840 W!! 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 8

O zmianach energii wewnętrznej układu wnioskujemy ze zmian parametrów określających stan termodynamiczny, tzn. p,, T. Istnieją dwa sposoby wymiany energii między układami w formie PRACY lub CIEPŁA.. Mówi o tym I zasada termodynamiki: ΔU Q + W Energia wewnętrzna układu rośnie gdy dostarczamy ciepła lub wykonujemy nad układem pracę. Ilość przekazanego ciepła zależy od: - rodzaju substancji (jej ciepła właściwego) - jej masy - uzyskanej różnicy temperatur Q c w m ΔT 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 9

Ogrzewamy układ: ΔTT k -T 0 >0 Q > 0 - ciepło jest pobierane przez układ Oziębiamy układ: ΔTT k -T 0 <0 Q < 0 - ciepło jest oddawane przez układ Wynika stąd zasada bilansu cieplnego: ΣQ 0 Małe przypomnienie: - w jednym molu substancji jest N A 6,03 0 3 cząsteczek - masa gazu m n μ (gdzie μ masa molowa, n ilość moli) - ciepło właściwe a ciepło molowe: c w Q mt C Q nt 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 0

Równanie stanu gazu doskonałego Gaz doskonały: - punkty materialne - nie oddziałują ze sobą poza - idealnie sprężystymi zderzeniami - poruszają się prostoliniowo, jednostajnie Nacisk na jedną ściankę wywierany przez N cząstek: F 3 N d mv Ciśnienie na jedną ściankę: F N p mv d 3 3 N mv 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i

p 3 N mv Skoro p p NkT lub const T 3 E k kt Przechodząc między dwoma stanami gazu: p T p T Dla jednego mola gazu w warunkach normalnych: p0 T 0 0 R R 8, 3 J mol K Dla n moli gazu w dowolnych warunkach: p nrt m p RT równanie Clapeyrona 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i

Praca w termodynamice F z dw Fz dx p S dx p d W dw pd dx W tym wypadku objętość się zmniejsza d<0 zatem aby być w zgodzie z I zasadą termodynamiki należy przyjąć że praca siły zewnętrznej: W jeżeli gaz się rozpręża: d>0 to W<0!! pd W p Uwaga! W podręcznikach anglojęzycznych często stosowana jest umowa odwrotna! (wówczas ΔUQ-W) 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 3

Przykład Podczas rozprężania gaz przechodzi ze stanu do stanu. Zakładamy, że T T Z równania Clapeyrona p nrt W pd nrt d nrt d W nrt ln 0 oznacza to, że to gaz wykonuje pracę 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 4

Przemiany termodynamiczne gazu doskonałego Izobaryczna Gay-Lusac a T T p const T const T Q T ( + T ) 0 0 objętość w 0 0 C deg współczynnik rozszerzalności objętościowej gazu 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 5

W przemianie do układu Q U + W W>0 W<0 Q dostarczono ciepło: Q > 0 T Q pracę wykonuje układ: W przemianie 3: W U + Q W < 0 Q < 0 W > 0 W p W p 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 6

Izotermiczna Boyl a-mariotte a p p33 T const p const T 3 T Q Układ oddaje ciepło: Q < 0 Pracę wykonuje siła zewnętrzna: W > 0 W RT ln T const ΔU 0 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 7

Izochoryczna Charles a p T p T 4 4 const p T const T T 4 Q Do układu dostarczono ciepło: Układ nie wykonuje pracy: ( + T ) p p 0 współczynnik termicznej rozprężliwości gazu Q > 0 W 0 U Q 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 8

Adiabatyczna T T 5 5 Układ izolowany: p const Praca siły zewnętrznej: Q 0 c c Q 0 W > 0 p T 5 T 5 U W 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 9

Przykład Rurka szklana zatopiona na jednym końcu zawiera słupek rtęci o długości L 5 cm. Gdy rurkę trzymamy pionowo, otwartym końcem do dołu, to długość słupka powietrza zamkniętego w rurce wynosi h 30 cm. Po odwróceniu rurki o 80 0 otworem do góry, długość słupka powietrza maleje dwukrotnie, a jego temperatura nie ulega zmianie. Gęstość rtęci wynosi r 3600 kg/m 3. Oblicz:.Wartość ciśnienia powietrza otaczającego rurkę..długość słupka powietrza w zamkniętej części rurki, gdy ustawimy ją poziomo. p 0 00 hpa h x h 0, m 3 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 0

Cykl Carnot a Izolowane ścianki i tłok Zasada pracy silników cieplnych: Substancja robocza dokonuje szeregu przemian termodynamicznych (cykli mniej lub bardziej zamkniętych), pobierając ciepło i w ich wyniku wykonuje pracę. Nieskończona pojemność cieplna źródła i chłodnicy 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i

rozprężanie izotermiczne rozprężanie adiabatyczne U 0 Q W W a U kosztem energii wewnętrznej gazu 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i

sprężanie izotermiczne sprężanie adiabatyczne U 0 Q W praca wykonana w cyklu kosztem pobranego ciepła W a U gaz pobiera pracę W Q Q 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 3

Sprawność cyklu: η W Q Q Q Q T T T Sprawność cyklu Carnota zawsze jest mniejsza od, bowiem temperatura T chłodnicy ma wartość większą od zera, gdyż temperatura zera bezwzględnego jest nieosiągalna. II zasada termodynamiki Sformułowanie Kelwina: Nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem jest pobranie ciepła z danego zbiornika i całkowita zamiana tego ciepła na pracę. Sformułowanie -twierdzenie Clausiusa: Nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem jest pobranie ciepła od ciała o niższej temperaturze I przekazanie go do ciała o wyższej temperaturze. 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 4

Każdy proces odwracalny można przybliżyć złożeniem cykli Carnota. Pompa cieplna: ciepło jest przekazywane od ciała o temperaturze niższej do ciała o temperaturze wyższej - w kierunku przeciwnym do samorzutnego przepływu ciepła. Procesowi przekazywania ciepła w tym kierunku musi towarzyszyć praca czynnika zewnętrznego (np. sprężarka w lodówce). Przykłady: Sprawność silnika spalinowego (temp. Spalania mieszanki 700 K, chłodnicy 300K) wynosi 0,56. Sprawność cyklu Carnota o temperaturze zbiornika ciepła 700 K, i otaczającego powietrza około 300 K wynosi: 0,89. Sprawność silnika parowego (kocioł o temperaturze 373 K) to jedynie 0,! 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 5

5 0 Silnik Cykl spalinowy Otta 0- suw ssania - sprężanie (adiabat.) -3 zapłon 3-4 suw pracy 4--5 wydech Cykl Diesla 887r. Cykl Atkinsona 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 6

Entropia Entropia (ozn. S) jest miarą stopnia nieuporządkowania układu i rozproszenia energii. Jest to termodynamiczna funkcja stanu, określająca kierunek przebiegu samorzutnych procesów, w odosobnionym układzie termodynamicznym. Druga zasada termodynamiki mówi, że w układzie zamkniętym entropia S nie może maleć to znaczy ds 0. Zależy ona tylko od początkowego i końcowego stanu układu, a nie od drogi przejścia pomiędzy tymi stanami. Entropia jest funkcją określoną dla stanu równowagi, taką że dla procesu odwracalnego: ds dq T dq ciepło dostarczane w procesie odwracalnym 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 7

Entropia układu izolowanego adiabatycznie, w którym zachodzą procesy odwracalne, jest stała. Natomiast dla układów nieizolowanych adiabatycznie - wymieniających ciepło z otoczeniem - entropia układu rośnie. ds. + ds o 0 gdzie ds o jest zmianą entropii otoczenia. Przykład Oblicz zmianę entropii w n molach gazu doskonałego podczas odwracalnego izotermicznego rozprężania gazu od objętości do objętości. Rozwiązanie: du dq + dw 0 dq - dw dw -pd ds dq T pd T p nrt p nrt ds nrd S nr d nr ln > S > 0 (rośnie!) 0..08 Wydział Informatyki, Elektroniki i 8