CIEPLNE I MECHANICZNE WŁASNOŚCI CIAŁ Ciepło i temperatura Pojemność cieplna i ciepło właściwe Ciepło przemiany Przejścia między stanami Rozszerzalność cieplna Sprężystość ciał Prawo Hooke a Mechaniczne własności ciał stałych Politechnika Opolska Opole University of Technology www.po.opole.pl Wydział InżynierIi Produkcji i Logistyki Faculty of Production Engineering and Logistics www.wipil.po.opole.pl
CIEPŁO I TEMPERATURA Wielkością charakteryzującą stan ogrzania ciała jest temperatura podawana w pewnej wybranej skali (K, o C, o F). Ciepło jest formą przekazu energii między układem a jego otoczeniem na skutek istniejącej między nimi różnicy temperatur (zawsze od ciała o temp. wyższej do ciała o temp. niższej). Inną formą przekazu energii jest praca - układ (ciało) może ją wykonywać lub może być ona wykonywana nad nim. Energia wewnętrzna (U) to całkowita energia kinetyczna (ruchu cieplnego) i potencjalna (wzajemnego oddziaływania) wszystkich cząsteczek składających się na daną substancję. Proces przekazywania ciepła nazywamy transportem energii lub przewodzeniem ciepła. Ciepło podobnie jak pracę i energię wyrażamy w dżulach [J] lub kaloriach [cal]. 1cal = 4,186 [J]
POJEMNOŚĆ CIEPLNA I CIEPŁO WŁAŚCIWE Substancje różnią się od siebie pod względem ilości ciepła niezbędnego do wywołania określonego wzrostu temp. danej masy. Pojemność cieplna (C) - stosunek ilości energii ΔQ dostarczonej do ciała w postaci ciepła, do odpowiadającego tej energii przyrostu temperatury ΔT. C Ciepło właściwe (c) - pojemność cieplna przypadająca na jednostkę masy (masowe ciepło właściwe) lub jednostkę ilości materii (molowe ciepło właściwe). c ΔQ ΔT ΔQ mδt Aby ciepło właściwe było określone jednoznacznie należy podać ściśle warunki (ciśnienie c p lub objętość c V ) w jakich ciepło ΔQ dostarczane było do próbki.
CIEPŁO WŁAŚCIWE (w pokojowej temp. i pod ciśnieniem atm.) Substancja Ciepło właściwe c p [ J / kg K ] złoto 129 szkło 837 marmur 86 aluminium 9 drewno 17 para wodna (1 o C) 21 woda 4181
L = 3.33 1 5 [J/kg] c. topnienia lodu CIEPŁO PRZEMIANY Dostarczenie energii cieplnej do układu (ciała) może prowadzić do jego ogrzania lub jego przemiany fazowej. Przemiana - proces przejścia układu (ciała) z jednego stanu równowagi w inny pod wpływem jakiegoś czynnika zewnętrznego. Ciepło przemiany (L) - stosunek ciepła potrzebnego do zajścia przemiany w danej substancji do masy tej substancji. L Q/m L = 2.26 1 6 [J/kg] c. parowania wody woda + para para woda + lód woda lód Energia dostarczona [J]
PRZEJŚCIA MIĘDZY STANAMI Stany skupienia w jakich może występować ciało, nazywamy również fazami ciała. Fazę ciała charakteryzują trzy wielkości makroskopowe: ciśnienie (p), temperatura (T), WYKRES RÓWNOWAGI FAZOWEJ WODY objętość (V). Przemiany fazowe: sublimacja (S G), resublimacja (G S). topnienie (S C), krzepnięcie (C S), parowanie (C G), skraplanie (G C), wrzenie (C G). 273,16 K * temp. punktu potrójnego wody Wykres równowagi fazowej można sporządzić dla dowolnego ciała (niektóre mogą występować w więcej niż trzech fazach więcej krzywych i punktów potrójnych). (S) A (C) B (G) C (c k, T k, V k )
DIAGRAM FAZOWY WĘGLA diament ciecz grafit gaz Wykres równowagi fazowej węgla (więcej niż trzy fazy więcej krzywych, dwa punkty potrójne i przejścia fazowe polegające na zmianie sieci krystalicznej).
Objętość ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA WODY Przy zwiększaniu temperatury ciała jego atomy i cząsteczki poruszają się szybciej wykazując tendencję do oddalania się od siebie (rozszerzanie się ciał). średnia odległość międzyatomowa x - odległość międzyatomowa - średnia odległość atomów H 2 O wzrost energii wewnętrznej ciała E 1 E 3 prowadzi do zwiększenia średniej odległości pomiędzy atomami Temperatura Wszystkie ciała, z nielicznymi wyjątkami (woda), niezależnie od stanu skupienia rozszerzają się przy ogrzewaniu i kurczą przy oziębianiu. Najmniejszą objętość, a zatem największą gęstość woda ma w temperaturze 4 o C, poniżej o C woda zamienia się w lód, którego objętość jest znacznie większa, a gęstość mniejsza (lód pływa po wodzie). Zmiana gęstości ogrzewanych ciał: ρ ρ *ρ - gęstość ciała w temp. T 1 γδt
ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA Ogrzewanie ciał stałych, cieczy i gazów skutkuje zmianą: wymiarów liniowych powierzchni objętości ΔV γ ΔS S γv ΔT Δl α (dla ciał izotropowych) ΔV V ΔT ΔS S ΔT ΔT αl ΔT Δl l ΔT *α - współczynnik rozszerzalności liniowej *β - współczynnik rozszerzalności powierzchniowej *γ - współczynnik rozszerzalności objętościowej Δl l ΔS ΔT, 2 ΔT, S ΔV V 3 ΔT
ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA nie złączone złączone
SPRĘŻYSTOŚĆ Każde ciało poddane działaniu zewnętrznych sił zmienia swą objętość lub kształt lub obie te cechy jednocześnie (zmiany te zależą od ułożenia atomów i wiązań między nimi). Sprężystość (elastyczność) - odwracalna zmiana kształtu lub objętości ciała pod wpływem deformujących sił zewnętrznych (wielkość odkształceń sprężystych jest wprost proporcjonalna do wielkości sił odkształcających). σ = F S, ε = L L Pr. Hooke a σ = 1 k ε PRAWO HOOKE a Naprężenie ciała (σ) odkształconego sprężyście jest proporcjonalne do względnego odkształcenia tego ciała (ε). * gdzie współczynnik sprężystości (k) jest zależny od właściwości materiału, z którego wykonane jest ciało (przyjmuje różne wartości liczbowe, nazwy i oznaczenia w zależności od rodzaju odkształcenia)
NAPRĘŻANIE I SPRĘŻANIE Ciało rozciągnięte jest w stanie naprężenia, podczas ściskania doznaje sprężania. Sprężanie powoduje skrócenie i pogrubienie, naprężanie - wydłużenie i zwężenie. Współczynnik Poissona - stosunek odkształcenia poprzecznego do odkształcenia podłużnego przy osiowym stanie naprężenia (nie określa sprężystości materiału tylko sposób w jaki ciało się odkształca). ε' Δd d * wielkość bezwymiarowa (.25 μ.5) μ ε ΔL L d E - moduł Younga (jednostronne ściskanie lub rozciąganie) G - moduł sztywności (ścinanie) B - moduł ściśliwości objętościowej (wszechstronne ściskanie lub rozciąganie hydrostatyczne)