Zasady Termodynamiki

Podobne dokumenty
II Zasada Termodynamiki c.d.

Wykład 4. II Zasada Termodynamiki

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

TERMODYNAMIKA FENOMENOLOGICZNA

Ciepła tworzenia i spalania (3)

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

Wykład Temperatura termodynamiczna 6.4 Nierówno

Zasady termodynamiki

Wykład 3. Zerowa i pierwsza zasada termodynamiki:

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

Podstawy termodynamiki

Termodynamika Część 6 Związki i tożsamości termodynamiczne Potencjały termodynamiczne Warunki równowagi termodynamicznej Potencjał chemiczny

Wykład 3. Entropia i potencjały termodynamiczne

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

Maszyny cieplne substancja robocza

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

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

Kontakt,informacja i konsultacje

Przemiany termodynamiczne

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

Fizyka statystyczna Potencjały termodynamiczne i warunki równowagi Geometria Drugiej Zasady Termodynamiki

Przegląd termodynamiki II

Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej

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

Definicja pochodnej cząstkowej

Druga zasada termodynamiki

Wykład 6: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

Wykład 7: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

Krótki przegląd termodynamiki

Wykład 6: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

Równowaga w układach termodynamicznych. Katarzyna Sznajd-Weron

C V dla róŝnych gazów. Widzimy C C dla wszystkich gazów jest, zgodnie z przewidywaniami równa w

Maszyny cieplne i II zasada termodynamiki

termodynamika fenomenologiczna

Układy równań liniowych. Ax = b (1)

3 Potencjały termodynamiczne i transformacja Legendre a

Termodynamika. Energia wewnętrzna ciał

Fizyka statystyczna Zasady Termodynamiki

Obiegi gazowe w maszynach cieplnych

Elementy termodynamiki

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

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Elementy termodynamiki

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

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

Podstawy termodynamiki

Fizyka statystyczna Zasady Termodynamiki. P. F. Góra

Seria 2, ćwiczenia do wykładu Od eksperymentu do poznania materii

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

WYKŁAD 12 ENTROPIA I NIERÓWNOŚĆ THERMODYNAMICZNA 1/10

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

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

Rozwiązanie: Rozwiązanie najlepiej rozpocząć od sporządzenia szkicu, który jest pierwszym stopniem zrozumienia opisywanego procesu (serii przemian).

Termodynamiczny opis przejść fazowych pierwszego rodzaju

Temperatura, ciepło, oraz elementy kinetycznej teorii gazów

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

4 Przekształcenia pochodnych termodynamicznych

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

Druga zasada termodynamiki, odwracalność przemian, silniki cieplne, obiegi

TERMODYNAMIKA I TERMOCHEMIA

Termodynamika Część 3

powierzchnia rozdziału - dwie fazy ciekłe - jedna faza gazowa - dwa składniki

Termodynamika Część 7 Trzecia zasada termodynamiki Metody otrzymywania niskich temperatur Zjawisko Joule'a Thomsona Chłodzenie magnetyczne

W8 40. Para. Równanie Van der Waalsa Temperatura krytyczna ci Przemiany pary. Termodynamika techniczna

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

Absolutna skala temperatur.

Chłodnictwo i Kriogenika - Ćwiczenia Lista 3

Podstawy fizyki sezon 1 X. Elementy termodynamiki

Ciepło i pierwsza zasada termodynamiki.

Wykład 12 Silnik Carnota z gazem doskonałym Sprawność silnika Carnota z gazem doskonałym Współczynnik wydajności chłodziarki i pompy cieplnej Carnota

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

Miejsce biofizyki we współczesnej nauce. Obszary zainteresowania biofizyki. - Powrót do współczesności. - obiekty mikroświata.

2 Całkowanie form różniczkowych i cykle termodynamiczne

Rozważmy nieustalony, adiabatyczny, jednowymiarowy ruch gazu nielepkiego i nieprzewodzącego ciepła. Mamy następujące równania rządzące tym ruchem:

Termodynamika program wykładu

Pierwsza i druga zasada termodynamiki.

TERMODYNAMIKA PROCESOWA I TECHNICZNA

1 Formy różniczkowe w R 3

00516 Termodynamika D Część 1

Druga zasada termodynamiki.

Fizyka statystyczna. This Book Is Generated By Wb2PDF. using

Wykład 7 Entalpia: odwracalne izobaryczne rozpręŝanie gazu, adiabatyczne dławienie gazu dla przepływu ustalonego, nieodwracalne napełnianie gazem

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

Termodynamika Techniczna dla MWT, wykład 7. AJ Wojtowicz IF UMK

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

ELEMENTY TERMODYNAMIKI

Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów

Spis tres ci 1. Wiadomos ci wste pne

Fizyka statystyczna Fenomenologia przejść fazowych. P. F. Góra

Druga zasada termodynamiki, odwracalność przemian, silniki cieplne, obiegi

= T. = dt. Q = T (d - to nie jest różniczka, tylko wyrażenie różniczkowe); z I zasady termodynamiki: przy stałej objętości. = dt.

1. PIERWSZA I DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI TERMOCHEMIA

Termodynamiczny opis układu

Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej

Podstawowe pojęcia 1

Wykład 4. Przypomnienie z poprzedniego wykładu

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

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

Transkrypt:

Zasady Termodynamiki I-sza zasada termodynamiki: - bilans energii w procesie przejścia układu ze stanu A do stanu B - identyfikacja kanałów przekazu B A

W oparciu o I-szą zasadę wiemy, Ŝe Przekaz moŝe się odbywać kaŝdym z tych kanałów; rozróŝnienie nie jest istotne. Na razie nie ma Ŝadnych ograniczeń co do wzajemnego przekształcania się Q, W, Z odgrywają tę samą rolę. pracy w ciepło i vice-versa

W szczególności dla procesu kołowego: AB tj. moŝliwość całkowitej zamiany pobranego ciepła na równowaŝną ilość pracy lub odwrotnie. I-sza zasada nie mówi nic o tym czy i kiedy dany proces jest moŝliwy.

Dopiero II zasada termodynamiki wprowadza głębokie rozróŝnienie między ciepłem a pracą O ile pracę pobraną przez układ moŝna w całości zamienić na równowaŝną ilość ciepła oddanego przez układ, o tyle proces odwrotny podlega bardzo istotnym ograniczeniom. (Clausius, 850): niemoŝliwe jest przekazywanie ciepła przez ciało o niŝszej temperaturze ciału o temperaturze wyŝszej bez wprowadzania innych zmian w obu ciałach i otoczeniu.

II zasada: wypowiedź na temat procesów nieodwracalnych W układach makroskopowych (do których stosuje się granica termodynamiczna) wszystkie procesy globalne dąŝą do wyrównywania róŝnic (między układem a otoczeniem), tzn. przebiegają w jednym, ściśle określonym kierunku. (lokalnie dopuszczalne są fluktuacje)

Zagadnienia, jakie omówimy: Dygresja matematyczna: całkowalne formy róŝniczkowe. Pojęcie entropii. Pojęcie temperatury absolutnej. Kierunek przebiegu procesów fizycznych. Procesy nieodwracalne.

II Zasada Termodynamiki Energia wewnętrzna gazu doskonałego Sformułowanie Clausiusa Sformułowanie Kelvina Obserwacje Carnot a Twierdzenie Farkas a-caratheodory ego Implikacje

Przy dwóch danych temperaturach zbiorników cieplnych, nie istnieje silnik o wydajności większej niŝ silnik Carnot a (Sadi Carnot, 796-832) Nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem jest pobranie ciepła ze zbiornika chłodniejszego i przekazanie go do zbiornika cieplejszego (Rudolf Clausius, 822-888) Nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem jest pobranie ciepła z jednego zbiornika z całkowitą zamianą tego ciepła na pracę (Wiliam Thompson/Lord Kelvin, 824-907)

Energia wewnętrzna gazu doskonałego zaleŝy jedynie od temperatury, UU(T). ZauwaŜmy, Ŝe idealizacja gazu doskonałego zakłada brak oddziaływań pomiędzy cząsteczkami. Równanie stanu dla M: prt. RozwaŜmy proces odwracalny dudq-pd, który przebiega a) przy stałym ciśnieniu b) przy stałej objętości duc p dt-pd Dla procesu izobarycznego, na mocy równania stanu pnrt, d(p)d(nrt) nrdtpd duc v dt+0 Stąd du p C p dt-nrdt

ZauwaŜmy, Ŝe dowolną krzywą ( termodynamicznie kwazi-statyczną) moŝemy aproksymować fragmentami odpowiadającymi segmentom zmian d i dp U U U U f f U i U i C ( C ( T ) f Ti nr) ( T T ) p f i Energia wewnętrzna jest funkcją stanu C p -C v nr Energia wewnętrzna gazu doskonałego zaleŝy jedynie od temperatury

Silnik Carnot a: AB izotermiczne rozpręŝanie, BC rozpręŝanie adiabatyczne, CD spręŝąnie izotermiczne, DA kompresja adiabatyczna ( ) ( ) ln ln 2 2 2 2 Θ Θ Θ Θ Θ Θ Θ Θ γ γ γ γ γ γ γ γ γ γ γ γ NR W Q NR d NR pd W NR p p const d const pd W W Q NR d NR pd W DA CD C D CD B B B C C C B C BC AB AB B A AB D C D C C B C B B A B A Ciepło pobrane z rezerwuaru Ciepło oddane do rezerwuaru

Bilans energetyczny W Q η ( AB B W W Q / A η AB Q AB ) CD Θ Θ + 2 W + NR Θ NR Θ NR Θ ( ) BC C / D W CD ln 2 ln ln + B A W NR Θ ( ) C / D ( ) B DA / A 2 ln Wydajność: stosunek efektu do poniesionych kosztów Praca wykonana: pobrana energia C D

Uogólnienie cyklu Carnot a przeprowadzone przez Clausiusa: a) dwa cykle Carnot a mogą być sklejone dla otrzymania większego cyklu b) dowolną zamkniętą krzywą w przestrzeni (p,) moŝna przedstawić jako złoŝenie infinitezymalnych przemian kołowych Carnot a

Θ2 η f ( t, t2) Θ RozwaŜmy dwa cykle (dwie maszyny Carnot a) działające odpowiednio pomiędzy temperaturami t oraz t i t, t 2 Q 2 Q 2Q ' f ( t, t2 ) f ( t', t2 ) f ( t, t Q Q ' Q ' ) PowyŜsza relacja wraz z warunkiem f(t,t) prowadzi do wniosku, Ŝe funkcję f ( t, t 2) moŝna zapisać jako stosunek f(t 2 )/f(t )

Zatem 2 2 2 ) ( ) ( T T t f t f Θ Θ η Dla wyidealizowanego zamkniętego cyklu kołowego relacja ta prowadzi do wniosku, Ŝe 0 2 2 2 2 T dq T Q T Q T T Q Q

Twierdzenie Clausiusa Dla dowolnego procesu kołowego, w czasie którego określona jest temperatura, zachodzi nierówność w odniesieniu do układu dq T 0 dq w odniesieniu do środowiska T 0

II Zasada Termodynamiki (postulat) ujęcie matematyczne Sformułowanie Caratheodory ego-farkas a DQ 0 W otoczeniu dowolnego stanu termodynamicznego zawsze istnieją stany, których nie moŝna osiągnąć po drogach adiabatycznych tzn. w wyniku procesu adiabatycznego (DQ 0)

Dygresja Matematyczna Elementarne własności form Pfaffa (A) nazywamy formą Pfaffa (lub -formą w geometrii róŝniczkowej), gdy:

Analiza form róŝniczkowych W przypadku I-szej zasady termodynamiki. liniowe

Aby nie zaleŝała, powinno być:

Wtedy otrzymujemy tzw. Relacje Maxwella, toŝsamości krzyŝowe, warunki całkowalności formy róŝniczkowej

Równania 2 f x i x j 2 f x j x i î X i x j X j x i ; " i, j (B) są warunkami koniecznymi na to aby forma Pfaffa była r. zup. Jeśli dodatkowo rozmaitość na której róŝniczka jest określona jest jednospójna, to wtedy wraz z (B) jest to warunek konieczny i wystarczający aby wtedy DX 0

Jeśli przynajmniej jedna para równań 2 f x i x j 2 f x j x i î X i x j X j x i ; " i, j nie jest spełniona, wtedy DX nie jest róŝniczką zupełną. Przypuśćmy, Ŝe DX nie jest róŝniczką zupełną MoŜemy zapytać jakie warunki muszą być spełnione (jeśli w ogóle jakiekolwiek da się sformułować) abysmy mogli przekształcić tę formę w róŝniczkę zupełną jest róŝniczką zupełną

Przyjrzyjmy się strukturom geometrycznym generowanym przez róŝniczki zupełne w przestrzeni, w której są określone. W tym celu załóŝmy, Ŝe zadane jest odwzorowanie: Dodatkowo załoŝymy, Ŝe co jest zagwarantowane, gdy

C 2 C hiperpowierzchnie f const C; dla róŝnych C hiperpowierzchnie nie przecinają się nigdzie ani nie stykają!!! C n i j f y k x i { i 2 z > 0

Tw. Carathéodory ego JeŜeli w dowolnym sąsiedztwie kaŝdego punktu istnieją punkty, których z tego punktu nie da się osiągnąć po krzywej będącej rozwiązaniem równania Pfaffa, wówczas równanie to ma czynnik całkujący

Dygresja (całkowalnośc form Pfaffa KaŜda liniowa forma Pfaffa w jednej i dwóch zmiennych ma zawsze czynnik całkujący

Konsekwencje II zasady termodynamiki w odniesieniu do procesów quasistatycznych (odwracalnych). ds DQ T Odwrotność temperatury stanowi czynnik całkujący dla formy Pfaffa, jaką jest ciepło

Przykład na zastosowanie pojęcia entropii

Skalowanie temperatury

Łącząc I-szą i II-gą zasadę termodynamiki otrzymujemy szereg bardzo waŝnych relacji Równania Gibbsa ( waŝne dla procesów quasistatycznych) naturalne zmienne wynikające z I-szej i II-giej zasady

Równania Eulera (konsekwencje jednorodnosci - szego rzędu dla U i S)

U HlSL S + U HlL +... U H S,, 8x i<, 8N j <L

Najprostsze z równań Eulera (przykłady) (a) dla układu jednoskładnikowego i jednofazowego U HS,, NL TS - p + mn (b) dla gazu fotonowego w doskonale czarnej wnęce U HS,, NL TS - p; m 0 (w tym przypadku potencjał chemiczny 0 bo nie ma ograniczenia na ilość fotonów; N jest nieokreślone ( równieŝ <N> ) (c) powyŝsze relacje jednorodności są prawdziwe jedynie wtedy, gdy potencjały termodynamiczne są ekstensywne ( w granicy termodynamicznej, dla krótkozasięgowych oddziaływań, oraz poza punktami krytycznymi)

Równanie Gibbsa Duhema Równanie Eulera musi być konsystentne z I-szą zasadą termodynamiki dla procesów quasistatycznych. (To wymusza dodatkową relację między parametrami intensywnymi)

II Zasada Termodynamiki Konsekwencje dla procesów nieodwracalnych W otoczeniu dowolnego stanu termodynamicznego zawsze są stany, których nie moŝna osiągnąć po drogach adiabatycznych tzn. w wyniku procesu adiabatycznego ( DQ 0 )

Zamiast dowodu, przykład: nieodwracalne rozpręŝanie gazu do próŝni (A) v 0 próŝnia v > v 0 PoniewaŜ stany początkowy i końcowy są stanami równowagi moŝna rozwaŝyć równowaŝny proces quasistatyczny (odwracalny) B

v > v 0 (B) v 0

II zasada jako zasada wariacyjna S równowaga (czas) t

Układy otwarte Otoczenie izolacja adiabatyczna: DQ 0 układ T O ds d S + e d i S d e S Zmiana entropii w wyniku wymiany materii/energii z otoczeniem d i S Produkcja entropii w ten sposób moŝemy definiować przepływy entropii..

Współczesne podejście do termodynamiki nierównowagowej Ilya Prigogine (98-2003) d i S 0

d S i Fdx Ogólnie F reprezentuje siły termodynamiczne, zaś X wielkość związaną z daną siłą Zmiany X w czasie wprowadzają strumienie Przykład siły termodynamicznej: F/T cold -/T hot

Stąd dla dowolnego procesu: Jest to najogólniejsze sformułowanie II zas.

DYGRESJA DS U DS wyprodukowana 0 + DQ T 0 DQ T 0 dla procesów kołowych: moŝna równieŝ: Podstawa termodynamiki procesów nieodwracalnych