12
2010 © Jasna Crnjanski -1- E LEKTROTEHNI Č KI F AKULTET B EOGRAD računske vežbe iz Fizike 2 prolećni semestar 2010. godine PRVI I DRUGI ZAKON TERMODINAMIKE Unutrašnja energija je celokupna energija mikroskopskih komponenata sistema (atoma i molekula), tj. principski gledano suma kinetičke i potencijalne energije pojedinih čestica koje taj sistem čine. Tokom promene stanja sistema, promena unutrašnje energije ΔU = U 2 U 1 nastaje kao posledica: 1. dovođenja toplote sistemu, što dovodi do povećanja unutrašnje energije: ΔU = Q, 2. rada koji sistem vrši nad okolinom, što dovodi do smanjenja unutrašnje energije: −ΔU = A. Prvi zakon termodinamike: Količina toplote koja se dovodi sistemu delom odlazi na povećanje unutrašnje energije, a delom se troši kroz rad koji sistem vrši nad okolinom: A dU Q δ δ + = Za izolovan sistem (ne postoji interakcija sistema i okoline, nema transfera energije, niti se vrši rad) unutrašnja energija je konstantna (Q = A = 0, ΔU = 0, U = const) . Karakteristični termodinamički procesi: 1. Adijabatski proces: Procesi koji se odvijaju sa velikom brzinom ili u sistemima koji su tako dobro izolovani da ne dolazi do razmene toplote između sistema i okoline (ΔQ = 0 ΔU = A); Adijabatska ekspanzija se može ostvariti u idealno izolovanom sistemu, kao na slici desno, sporom promenom pritiska, na primer uklanjanjem jednog po jednog olovnog zrnca sa pokretnog klipa. Dodavanjem zrnaca, postupak se odvija u obrnutom smeru (adijabatska kompresija). 2. Izohorski proces: Procesi tokom kojih se zapremina sistema ne menja (V = const), pa sistem ne vrši rad (A = 0). Celokupan iznos toplotne energije koji se dovodi sistemu odlazi na povećanje unutrašnje energije. 3. Ciklički procesi: Procesi kod kojih se nakon razmena toplotne energije i izvršenog rada sistem vraća u početno stanje. U ovom slučaju sve sopstvene karakteristike sistema, pa i unutrašnja energija, imaju nepromenjenu vrednost. Na dijagramu promene pritiska u funkciji od zapremine (pV dijagram), ciklički procesi se predstavljaju zatvorenom putanjom. 4. Slobodno širenje: Adijabatski procesi kod kojih ne postoji transfer toplote između sistema i okoline (ΔQ = 0), ali istovremeno nema ni vršenja rada, niti nad sistemom niti od strane sistema nad okolinom (A = 0). Na osnovu prvog zakona termodinamike, promena unutrašnje energije pri procesima slobodnog širenja (ekspanzije) je jednaka nuli (ΔU = 0). Na slici levo prikazana je postavka za demonstraciju procesa slobodnog širenja. U početnom trenutku gas se nalazi pod pritiskom u jednoj od međusobno spojenih komora sa ventilom koji reguliše protok gasa između komora. Druga komora je vakumirana. Nakon otvaranja ventila, gas se širi i ispunjava prostor obe komore i uspostavlja se stanje termodinamičke ravnoteže. Zbog prisutne izolacije nema razmene toplote između gasa i okoline, a kako je druga komora vakumirana prilikom širenja gas ne vrši nikakav rad. Slobodno širenje (ekspanzija) se razlikuje od prethodno pomenutih procesa jer se ne može izvršavati polako i na kontrolisan način. Drugim rečima, slobodno širenje nije povratan proces, odnosno nakon otvaranja ventila i uspostavljanja stanja termodinamičke ravnoteže kada su obe komore ispunjene gasom, ne može spontano doći do povratka u početno stanje kada se gas nalazi samo u levoj komori.. Na slici desno dat je dijagram zavisnosti pritiska od zapremine (pV dijagram), za 1) izobarski proces (p = const), 2) izotermski proces (T = const), 3) adijabatski proces i 4) izohorski proces (V = const) prilikom promene stanja gasa iz stanja i u stanje f.

ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET BEOGRAD računske vežbe iz …nobel.etf.bg.ac.rs/studiranje/kursevi/oo1f2/materijali/rv10-termodinamika-10.pdf · Prvi zakon termodinamike: Količina toplote

  • Upload
    others

  • View
    6

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET BEOGRAD računske vežbe iz …nobel.etf.bg.ac.rs/studiranje/kursevi/oo1f2/materijali/rv10-termodinamika-10.pdf · Prvi zakon termodinamike: Količina toplote

2010 © Jasna Crnjanski -1-

ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET BEOGRAD računske vežbe iz Fizike 2

prolećni semestar 2010. godine

PRVI I DRUGI ZAKON TERMODINAMIKE

Unutrašnja energija je celokupna energija mikroskopskih komponenata sistema (atoma i molekula), tj. principski gledano suma kinetičke i potencijalne energije pojedinih čestica koje taj sistem čine. Tokom promene stanja sistema, promena unutrašnje energije ΔU = U2 – U1 nastaje kao posledica:

1. dovođenja toplote sistemu, što dovodi do povećanja unutrašnje energije: ΔU = Q,

2. rada koji sistem vrši nad okolinom, što dovodi do smanjenja unutrašnje energije: −ΔU = A.

Prvi zakon termodinamike: Količina toplote koja se dovodi sistemu delom odlazi na povećanje unutrašnje energije, a delom se troši kroz rad koji sistem vrši nad okolinom:

AdUQ δδ +=

Za izolovan sistem (ne postoji interakcija sistema i okoline, nema transfera energije, niti se vrši rad) unutrašnja energija je konstantna (Q = A = 0, ΔU = 0, U = const) .

Karakteristični termodinamički procesi:

1. Adijabatski proces: Procesi koji se odvijaju sa velikom brzinom ili u sistemima koji su tako dobro izolovani da ne dolazi do razmene toplote između sistema i okoline (ΔQ = 0 → ΔU = −A); Adijabatska ekspanzija se može ostvariti u idealno izolovanom sistemu, kao na slici desno, sporom promenom pritiska, na primer uklanjanjem jednog po jednog olovnog zrnca sa pokretnog klipa. Dodavanjem zrnaca, postupak se odvija u obrnutom smeru (adijabatska kompresija).

2. Izohorski proces: Procesi tokom kojih se zapremina sistema ne menja (V = const), pa sistem ne vrši rad (A = 0). Celokupan iznos toplotne energije koji se dovodi sistemu odlazi na povećanje unutrašnje energije.

3. Ciklički procesi: Procesi kod kojih se nakon razmena toplotne energije i izvršenog rada sistem vraća u početno stanje. U ovom slučaju sve sopstvene karakteristike sistema, pa i unutrašnja energija, imaju nepromenjenu vrednost. Na dijagramu promene pritiska u funkciji od zapremine (pV dijagram), ciklički procesi se predstavljaju zatvorenom putanjom.

4. Slobodno širenje: Adijabatski procesi kod kojih ne postoji transfer toplote između sistema i okoline (ΔQ = 0), ali istovremeno nema ni vršenja rada, niti nad sistemom niti od strane sistema nad okolinom (A = 0). Na osnovu prvog zakona termodinamike, promena unutrašnje energije pri procesima slobodnog širenja (ekspanzije) je jednaka nuli (ΔU = 0). Na slici levo prikazana je postavka za demonstraciju procesa slobodnog širenja. U početnom trenutku gas se nalazi pod pritiskom u jednoj od međusobno spojenih komora sa ventilom koji reguliše protok gasa između komora. Druga komora je vakumirana. Nakon otvaranja ventila, gas se širi i ispunjava prostor obe komore i uspostavlja se stanje termodinamičke ravnoteže. Zbog prisutne izolacije nema razmene toplote između gasa i okoline, a kako je druga komora vakumirana prilikom širenja gas ne vrši nikakav rad.

Slobodno širenje (ekspanzija) se razlikuje od prethodno pomenutih procesa jer se ne može izvršavati polako i na kontrolisan način. Drugim rečima, slobodno širenje nije povratan proces, odnosno nakon otvaranja ventila i uspostavljanja stanja termodinamičke ravnoteže kada su obe komore ispunjene gasom, ne može spontano doći do povratka u početno stanje kada se gas nalazi samo u levoj komori..

Na slici desno dat je dijagram zavisnosti pritiska od zapremine (pV dijagram), za 1) izobarski proces (p = const), 2) izotermski proces (T = const), 3) adijabatski proces i 4) izohorski proces (V = const) prilikom promene stanja gasa iz stanja i u stanje f.

Page 2: ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET BEOGRAD računske vežbe iz …nobel.etf.bg.ac.rs/studiranje/kursevi/oo1f2/materijali/rv10-termodinamika-10.pdf · Prvi zakon termodinamike: Količina toplote

2010 © Jasna Crnjanski -2-

1. Specifična toplota [zz 502]. Za neki gas su eksperimentalno utvrđene specifične toplote cp = 10,39 kJ/(kg·K) i cv = 6,24 kJ/(kg·K). Odrediti molarnu masu i broj stepeni slobode u gasu. Koji je gas u pitanju? Da li je dobijeni rezultat u skladu sa modelom krutog rotatora?

Količina toplote Q potreba da se poveća temperatura mase m date supstance sa T1 na T2

proporcionalna je promeni temperature ΔT = T2 ̵ T1 i masi supstance m, sa konstantom proporcionalnosti c koja zavisi od vrste supstance i naziva se specifična toplota:

TmcQ Δ=Δ

Ako se radi o malim promenama prethodni izraz se može zapisati u obliku:

dTcmQ ⋅⋅=δ

pa je specifična toplota može definisati kao količina toplote koju je potrebno dovesti 1 kg supstance da bi se njena temperatura povećala za 1 K:

dT

dQ

mc

1=

[J/(kg·K)]

Količina toplote se može predstaviti i preko broja molova nm :

McdTndQ m=

pa se može definisati i molarna specifična toplota C = M · c koja predstavlja količinu toplote koju je potrebno dovesti 1 molu supstance da bi se njegova temperatura povećala za 1 K:

Specifična toplota idealnog gasa zavisi od načina na koji se ona meri, odnosno određuje. Ako se prilikom eksperimenta, zapremina gasa održava konstantnom (V = const), dobija se specifična toplota pri konstantnoj zapremini (cV ili CV), dok ako se pritisak održava konstantim (p = const), dobija se specifična toplota pri konstantnom pritisku (cp ili Cp). Odnos specifičnih toplota pri konstantnom pritisku i zapremini uobičajeno se označava grčkim slovom kapa:

V

p

V

p

c

c

C

C==κ

Iz I zakona termodinamike, može se dobiti veza između molarnih specifičnih toplota pri konstantnom pritisku i zapremini (Majer-ova jednačina):

RCC Vp +=

U opštem slučaju parametar kapa zavisi od broja stepeni slobode gasa prema relaciji:

j

j 2+=κ

Na osnovu definicije parametra kapa i njegove veze sa brojem stepeni slobode, za zadate specifične toplote pri konstantnom pritisku i zapremini, dobija se:

j

j

c

c

V

p 2+==κ

31/

2 =−

=Vp cc

j

Iz Majer-ove relacije može se odrediti molarna masa gasa:

)( VpVp ccMRCC −==−

2)(

=−

=Vp cc

RM

g/mol

Na osnovu određene molarne mase, može se zaključiti da je u pitanju vodonik. Međutim, poznato je da je vodonik dvoatomski gas (H2) što nije u skladu sa prethodno određenim brojem stepeni slobode koji sugeriše da je u pitanju jednoatomski gas. Ovo neslaganje se može objasniti ukoliko su vrednosti specifičnih toplota određivane pri veoma niskim temperaturama kada se rotacija može zanemariti.

Page 3: ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET BEOGRAD računske vežbe iz …nobel.etf.bg.ac.rs/studiranje/kursevi/oo1f2/materijali/rv10-termodinamika-10.pdf · Prvi zakon termodinamike: Količina toplote

2010 © Jasna Crnjanski -3-

2. Unutrašnja energija [zz 531]. Odrediti unutrašnju energiju koju ima vazduh na pritisku p = 0,1 MPa u prostoriji zapremine V = 60 m3. Smatrati da je gas idealan (κ = cp /cV = 1,4) i da je nulti nivo unutrašnje energije na 0 K.

Zapremina prostorije je konstantna (V = const, izohorski proces), pa je rad koji gas vrši nad okolinom jednak nuli:

0=⋅=⋅⋅=⋅= dVprdSdprdFA

δ

Na osnovu prvog zakona termodinamike, promena unutrašnje energije je jednaka količini toplote koju sistem razmeni sa okolinom:

dTcmdTcmQAQdU V ⋅⋅=⋅⋅==−= δδδ

gde je specifična toplota c = cV jer je u pitanju izohorski proces.

Nakon integracije:

==

⋅⋅=T

T

V

U

U

dTcmdU000

za unutrašnju energiju sistema se dobija:

TmcU V ⋅=

Iz jednačine stanja idealnog gasa, može se izraziti temperatura vazduha u prostoriji na osnovu poznatog pritiska i zapremine:

RTnpV m= mR

pVM

Rn

pVT

m

==

pa je unutrašnja energija:

R

pVMc

mR

pVMmcU VV =⋅=

Nepoznata molarna masa M i specifična toplota pri konstantoj zapremini cV

mogu se odrediti na osnovu poznatih veza:

VpVp CCcc // ==κ i RCC Vp += 1−

RCV

gde je

VV McC =

Konačno, za unutrašnju energiju dobija se:

MJ1511

=−

=−

===κκpV

R

pVR

R

pVC

R

pVMcU VV

Page 4: ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET BEOGRAD računske vežbe iz …nobel.etf.bg.ac.rs/studiranje/kursevi/oo1f2/materijali/rv10-termodinamika-10.pdf · Prvi zakon termodinamike: Količina toplote

2010 © Jasna Crnjanski -4-

Za vežbu uraditi [zz 532]: Određivanje specifične toplote smeše idealnih gasova. Unutrašnja energija smeše idealnih gasova jednaka je zbiru unutrašnjih energija komponenata smeše.

3. Izohorski proces [zz 533]. Kiseonik O2 nalazi se u sudu zapremine V = 10 l i na pritisku p1 = 10 bar i temperaturi T1 = 400 K. Ako se gasu promeni temperatura za ΔT = −40 K, odrediti promenu unutrašnje energije i količinu toplote razmenjene sa okolinom.

Zapremina suda je konstantna (V = const), pa važi:

specifična toplota: Vcc =

gas ne vrši rad: 0=⋅= dVpAδ

Na osnovu prvog zakona termodinamike, unutrašnja energija je:

dTcmQAQdU V ⋅⋅==−= δδδ

što nakon integracije

⋅⋅=2

1

2

1

T

T

V

U

U

dTcmdU

konačno daje:

TmcU V Δ⋅=Δ

Iz jednačine stanja idealnog gasa, može se izraziti masa gasa u posudi na osnovu poznatog pritiska, zapremine i temperature u početnom trenutku:

11 RTM

mVp =

1

1

RT

VMpm =

Za izohorski proces, specifična toplota pri konstantnoj zapremini se može izraziti preko broja stepeni slobode i molarne mase gasa:

M

RjMCc VV 2

/ ==

gde je za kiseonik koji predstavlja dvoatomni molekul, broj stepeni slobode:

523 =+=+= RT jjj

Zamenom prethodnih izraza u izraz za promenu unutrašnje energije dobija se:

kJ 5,22

5

2

5

1

1

1

1 −=Δ=Δ⋅=Δ TT

VpT

M

R

RT

VMpU

U konkretnom slučaju rad je jednak nuli, pa je promena unutrašnje energije jednaka promeni količine toplote (ΔQ). Negativna vrednost za promenu količine toplote gasa označava da gas odaje energiju okolini.

Page 5: ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET BEOGRAD računske vežbe iz …nobel.etf.bg.ac.rs/studiranje/kursevi/oo1f2/materijali/rv10-termodinamika-10.pdf · Prvi zakon termodinamike: Količina toplote

2010 © Jasna Crnjanski -5-

4. Izobarski proces [zz 534]. Dvoatomni idealni gas se izobarno zagreva od stanja 1 do stanja 2 i pri tome izvrši rad A12 = 40 kJ. Koliku količinu toplote je pri tome gas primio? Kolika je promena unutrašnje energije?

Na osnovu prvog zakona termodinamike, unutrašnja energija je:

AQdU δδ −=

što za konačnu promenu stanja sistema iz stanja 1 u stanje 2 može da se zapiše i u obliku:

1212 AQU −=Δ

Proces prelaska sistema iz stanja 1 u stanje 2 je izobarski, što znači da se gas tokom procesa 1→2 nalazi na konstantnom pritisku, pa je specifična toplota c jednaka specifičnoj toploti pri konstantnom pritisku cp i promena količine toplote se može izraziti u obliku:

TCnTmcQ pmp Δ=Δ=12

Za idealni gas, unutrašnja energija zavisi isključivo od temperature, U = U(T). Funkcionalna zavisnost unutrašnje energije od temperature može se jednostavno odrediti analizom izohorskog procesa (V = const). Za izohorske procese rad je jednak nuli, pa je unutrašnja energija jednaka razmenjenoj količini toplote:

dTCnQAQdU Vm==−= δδδ .

Ako je gas idealan, promena unutrašnje energije data je izrazom

dTCndU Vm=

bez obzira na to kakav je proces prelaska gasa iz stanja 1 u stanje 2.

Zamenom izraza za unutrašnju energiju i količinu toplote u prvi zakon termodinamike, rad tokom procesa 1 → 2 dobija se u obliku:

TRnTCCnUQA mVpm Δ=Δ−=Δ−= )(1212 R

ATnm

12=Δ

pa je tražena količina toplote:

1212

12 2

2

2

2A

jR

j

R

ATCnQ pm

+=+=Δ=

gde je iskorišćen poznati izraz za molarnu specifičnu toplotu pri konstantnom pritisku Cp = ( j + 2)R/2. Za dvoatomni idealni gas, broj stepeni slobode je:

523 =+=+= RT jjj

pa je Q12 = 140 kJ, a ΔU = Q12 – A12 = 100 kJ.

Na osnovu brojnih vrednosti za unutrašnju energiju i količinu toplote razmenjenu sa okolinom tokom posmatranog procesa, može se zaključiti da sistem prima toplotu od okruženja i delimično je troši na povećanje unutrašnje energije a delimično tako što vrši rad nad okolinom.

Page 6: ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET BEOGRAD računske vežbe iz …nobel.etf.bg.ac.rs/studiranje/kursevi/oo1f2/materijali/rv10-termodinamika-10.pdf · Prvi zakon termodinamike: Količina toplote

2010 © Jasna Crnjanski -6-

5. Politropski proces [zz 535]. Helijum He (idealni gas) mase m = 4 kg trpi politropsku ekspanziju tokom koje pritisak padne β = 8 puta, a zapremina poraste α = 4 puta. Odediti vrednost specifične toplote za ovaj proces. Kolika je razmenjena količina toplote i koliki je rad gasa pri ovoj ekspanziji, ako je promena temperature u procesu Δt = −150 °C? Molarna masa helijuma je M = 4 g/mol. Kolika je promena unutrašnje energije?

Politropski procesi opisuju se funkcionalnom zavisnošću:

constpV n =

gde je n stepen politropskog procesa. Politropski procesi su oni kod kojih nisu uvedena nikakva ograničenja u načinu promene stanja gasa i u izolovanosti sistema od okoline (u pitanju je opšta promena stanja gasa). Za specijalne vrednosti stepena politrope n:

▪ n = 1 → pV = const (izotermski proces)

▪ n = 0 → p = const (izobarski proces, C = Cp)

▪ n = κ → pV κ = const (adijabatski proces, C = 0)

▪ n = ±∞ → V = const (izohorski proces, C = CV)

Za proces prelaska iz stanja 1 u stanje 2 (1→2) važi:

nn VpVp 2211 =

n

V

V

p

p

=

1

2

2

1 1

2

2

1 lnlnV

Vn

p

p =

pa se stepen politrope n može odrediti izračunavanjem:

5,1ln

ln

)/ln(

)/ln(

12

21 ===αβ

VV

ppn

Za idealni gas, unutrašnja energija zavisi samo od temperature i data je izrazom:

dTmcdU V=

a za politropski proces, razmenjena količina toplote u procesu 1→2 je:

mcdTQ =δ

gde je c specifična toplota za dati politropski proces.

Rad koji se izvrši prilikom prelaza sistema iz stanja 1 u stanje 2:

dVpA ⋅=

može se odrediti diferenciranjem jednačine stanja idealnog gasa i jednačine politropskog procesa. Diferenciranjem jednačine stanja idealnog gasa dobija se:

RdTM

mdpVdVp =⋅+⋅ ,

a diferenciranjem jednačine politropskog procesa pV n = const :

01 =⋅+⋅ − dpVdVnVp nn pdVndpV ⋅−=⋅

Page 7: ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET BEOGRAD računske vežbe iz …nobel.etf.bg.ac.rs/studiranje/kursevi/oo1f2/materijali/rv10-termodinamika-10.pdf · Prvi zakon termodinamike: Količina toplote

2010 © Jasna Crnjanski -7-

Zamenom u diferenciranu jednačinu stanja, dobija se:

npdVRdTM

mpdV +=

što konačno daje rad izvršen tokom procesa 1→2:

)1( nM

mRdTpdVA

−==δ

Zamenom izraza za rad, unutrašnju energiju i razmenjenu količinu toplote tokom procesa 1→2 u izraz za prvi zakon termodinamike:

)1( nM

mRdTmcdTdTmcV −

−=

može se odrediti specifična toplota politropskog procesa

)1)(1(

)(

)1()1()1( −−−=

−−

−=

−+=

nM

nR

nM

R

M

R

nM

Rcc V κ

κκ

gde je za He (jednoatomski gas) parametar kapa:

67,13

5

3

232 ==+=+=j

Zamenom brojnih vrednosti, specifična toplota za politropski proces iznosi:

kgK

J1054

)1)(1(

)( −=−−

−=nM

nRc

κκ

Treba primetiti da specifična toplota kod politropskog procesa, u opštem slučaju, može biti i pozitivna i negativna. Negativna specifična toplota odgovara situacijama kada se pri ekspanziji gasa ne dovodi dovoljna količina toplote za ekspanziju, već se određeni deo energije mora obezbediti na račun smanjenja unutrašnje energije. Praktično, temperatura opada iako se energija dovodi, pa specifična toplota mora biti negativna.

Zamenom brojne vrednosti za specifičnu toplotu u izraze za količinu toplote, unutrašnju energiju, dobija se:

kJ86,632)1)(1(12 =Δ

−−−=Δ= T

n

n

M

RmTmcQ

κκ

kJ65,1870212 −=Δ=Δ=Δ T

M

RjmTmcU V

Konačno, na osnovu prvog zakona termodinamike, rad izvršen tokom procesa 1→2, iznosi:

kJ7,2502121212 =Δ−= UQA

Page 8: ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET BEOGRAD računske vežbe iz …nobel.etf.bg.ac.rs/studiranje/kursevi/oo1f2/materijali/rv10-termodinamika-10.pdf · Prvi zakon termodinamike: Količina toplote

2010 © Jasna Crnjanski -8-

6. Broj stepeni slobode [zz 503]. Pronaći broj stepeni slobode krutih molekula u gasu čija je molarna specifična toplota c = 12,47 J/(mol·K) u procesu TV = const. Koristiti činjenicu da je za promene stanja oblika pVn = const stepen politrope n dat relacijom n = (C ̵ Cp)/(C ̵ Cv)

Modifikacijom jednačine politrope:

constpV n =

uz korišćenje jednačine stanja idealnog gasa, može se doći do oblika koji povezuje temperaturu i zapreminu:

111 −−− ⋅=

=⋅= nnnn TVR

M

mVRT

M

mVpVpV

constTV n =−1

Upoređivanjem dobijene jednačine politrope sa zadatim procesom TV = const, može se zaključiti da je stepen politrope za zadati proces n – 1 = 1, tj. n = 2.

Na osnovu zadate veze između stepena politrope i molarnih specifičnih toplota, dobija se:

V

p

CC

CCn

−−

= 1−−

=n

CnCC pV

Korišćenjem veza sa brojem stepeni slobode:

Rj

Cp 2

2+=

Rj

CV 2=

za broj stepeni slobode, dobija se:

5)(2 ≈+= RCR

j

Za vežbu uraditi [zz 536]: politropski proces oblika p = αV i [zz 537]: rad tokom izotermskog procesa za realan gas.

Page 9: ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET BEOGRAD računske vežbe iz …nobel.etf.bg.ac.rs/studiranje/kursevi/oo1f2/materijali/rv10-termodinamika-10.pdf · Prvi zakon termodinamike: Količina toplote

2010 © Jasna Crnjanski -9-

7. Entropija pri politropskom procesu [zz 540]. Pronaći zavisnost apsolutne temperature T idealnog gasa od entropije S za politropski proces koji je karakterisan specifičnom toplotom c. Uzeti da je vrednost entropije S0 kada je temperatura T0. Skicirati T = T(S) za c < 0 i c > 0.

Entropija je veličina stanja sistema koja predstavlja kvantitativnu meru stanja haotičnosti sistema. Promena entropije tokom infinitezimalnog reverzibilnog procesa na apsolutnoj temperaturi T definiše se sa:

T

QdS

δ=

Reverzibilni (povratni) procesi su idealizovani procesi tokom kojih je sistem u stanju termodinamičke ravnoteže sam sa sobom i sa okolinom, pa se svaka promena stanja može odvijati u oba smera, malom promenom uslova pod kojima se sistem nalazi. Procesi kao što su prenos toplote sa konačnom temperaturskom razlikom, slobodno širenje gasa ili koverzija rada u toplotu su nepovratni (nereverzibilni procesi).

Promena entropije za bilo koji reverzibilni proces može se dobiti ako se proces predstavi kao serija infinitezimalnih reverzibilnih koraka:

=Δ2

1 T

QS

δ

II princip termodinamike: Entropija izolovanog sistema nikada ne opada. Ona ili ostaje konstantna (za reverzibilne procese) ili se povećava (za ireverzibilne procese)

Na osnovu definicije entropije:

T

mcdT

T

QdS == δ

Prethodna diferencijalna jednačina se može rešiti integracijom, uz odgovarajuće početne uslove:

=T

T

TS

S

dTT

mcdS

00

)(

0

0 lnT

TmcSS =−

−=

mc

SSTST 0

0 exp)(

Za vežbu uraditi [zz 541]: Entropija pri izobarskom i izohorskom procesu.

Page 10: ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET BEOGRAD računske vežbe iz …nobel.etf.bg.ac.rs/studiranje/kursevi/oo1f2/materijali/rv10-termodinamika-10.pdf · Prvi zakon termodinamike: Količina toplote

2010 © Jasna Crnjanski -10-

8. Entropija pri izotermskom procesu [zz 542]. Entropija nm = 4 mol nekog idealnog gasa poraste pri izotermnoj ekspanziji za ΔS = 36,54 J/K. Koliko puta se pri tome promeni zapremina gasa?

Za izotermski proces T = const, unutrašnja energija je konstantna (dU = 0) pa je na osnovu prvog zakona termodinamike:

T

pdV

T

QdS == δ

=1

0

1

0

V

V

S

S T

pdVdS

=Δ1

0

V

V T

pdVS

Na osnovu jednačine stanja idealnog gasa, za izotermski proces dobija se:

111 RTnVppV m== V

RTn

V

Vpp m 111 ==

pa je promena entropije:

0

1

1

1 ln1

0V

VRn

V

dV

T

RTnS m

V

V

m ==Δ

Konačno, promena zapremine data je izrazom:

3exp0

1 =

Δ=Rn

S

V

V

m

Za vežbu uraditi [zz 543].

Page 11: ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET BEOGRAD računske vežbe iz …nobel.etf.bg.ac.rs/studiranje/kursevi/oo1f2/materijali/rv10-termodinamika-10.pdf · Prvi zakon termodinamike: Količina toplote

2010 © Jasna Crnjanski -11-

9. [zz 544]. Odrediti promenu unutrašnje energije i entropije nm = 5 molova jednoatomskog idealnog gasa koji se širi politropski od zapremine V1 (na pritisku p1) do zapremine V2. Kao posebne slučajeve razmotriti navedene promene pri izotermskom procesu i adijabatskom procesu za V1 = 1 m3, V2 = 5V1 i p1 = 105 Pa.

Promena unutrašnje energije može se odrediti na osnovu izraza:

−=

−=Δ=Δ 11

11

2211

1

2112 Vp

Vp

Rn

VpCn

T

TTCnTCnU

mVmVmVm

Za politropski proces:

nn VpVp 2211 =

1

2

1

11

22

=

n

V

V

Vp

Vp

pa je promena unutrašnje energije konačno:

12

1

2

11112

n

V

VVp

jU

gde je j = 3 broj stepeni slobode za jednoatomski gas.

Za izotermski proces, stepen politrope n = 1, pa je promena unutrašnje energije ΔU12 = 0. Za adijabatski proces, n = κ = 5/3, pa je promena unutrašnje energije ΔU12 = −98,7 kJ.

Promena entropije može se izračunati na osnovu izraza:

T

dTCn

V

dVRn

T

dUpdV

T

QdS Vm

m +=+== δ

1

2

1

2 lnln2

1

2

1T

TCn

V

VRn

T

dTCn

V

dVRnS Vmm

T

T

VmV

V

m +=+=Δ

Na osnovu jednačine politrope:

constTV n =−1

1

2

1

1

2

=

n

V

V

T

T

pa je promena entropije:

)(ln1

2Vpm nCC

V

VnS −=Δ

Za izotermski proces, stepen politrope n = 1, pa je promena entropije ΔS = 66,9 J/K. Za adijabatski proces, n = κ = 5/3, pa je promena unutrašnje energije ΔS = 0.

Page 12: ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET BEOGRAD računske vežbe iz …nobel.etf.bg.ac.rs/studiranje/kursevi/oo1f2/materijali/rv10-termodinamika-10.pdf · Prvi zakon termodinamike: Količina toplote

2010 © Jasna Crnjanski -12-

10. [zz 548]. Bakarna kugla mase m = 0,5 kg i specifične toplote c = 390 J/(kgK) ima temperaturu t1 = 90 °C. Kugla je bačena u veliko jezero, temperature vode t2 = 10 °C. Odrediti promenu entropije: a) kugle, b) jezera i c) univerzuma.

Entropija kao veličina stanja zavisi isključivo od tekućeg stanja, a ne od procesa ili predistorije kojom se došlo do tog stanja. Iz tog razloga, moguće je odrediti promenu ireverezibilnog procesa izračunavanjem entropije za ekvivalentni reverzibilni proces (promena puta između stanja ne utiče na entropiju).

a) Proces hlađenja kugle je nepovratan, međutim, može se posmatrati neki ekvivalentni povratni proces koji bi doveo do jednake promene entropije. Promena entropije u kvazistatičkom reverzibilnom procesu (ekvivalentnom posmatranom nepovratnom procesu):

K

J55,48ln

1

22

1

2

1

−====Δ T

Tmc

T

mcdT

T

QSk

δ

gde je temperatura kugle u stanju 2 jednaka temperaturi vode u jezeru (jezero je jako veliko).

b) Tokom procesa hlađenja kugle, jezero prima količinu toplote:

kJ6,15)( 1212 =−= TTmcQ

pri tome, temperatura jezera se praktično ne menja T = T2 = const, pa je promena entropije jezera data izrazom:

K

J12,55

1

2

122

12

2

1

====Δ T

QQ

TT

QS j δδ

c) Ukupna promena entropije univerzuma jednaka je zbiru promena entropije jezera i kugle:

K

J57,6=Δ+Δ=Δ kju SSS

Za nepovratne procese, ukupna promena entropije je uvek veća od nule.