Podstawy fizyki

wykład 7

Dr Piotr Sitarek

Katedra Fizyki Doświadczalnej

Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej

Termodynamika

Elementy termodynamiki

Temperatura

Rozszerzalność cieplna

Ciepło

Praca a ciepło

Pierwsza zasada termodynamiki

Gaz doskonały - przemiany

Druga zasada termodynamiki

Np. D.Halliday, R.Resnick, J.Walker, Podstawy fizyki, tom II (PWN)H. D. Young, R. A. Freedman, Sear’s & Zemansky’s University Physics with

Modern Physics (Addison-Wesley Publishing Company)K.Sierański, P.Sitarek, K.Jezierski, Repetytorium … (Scripta)K.Sierański, K.Jezierski, B.Kołodka, Wzory … część II (Scripta)

Termodynamika

Termodynamika – dział fizyki, który zajmuje się energią termiczną (energią wewnętrzną) układu.

Bada efekty energetyczne wszelkich przemian fizycznych i chemicznych, które wpływają na zmiany energii wewnętrznej analizowanych układów.

Podstawowym pojęciem termodynamiki jest temperatura.

Termodynamika

Zerowa zasada termodynamiki

Jeżeli ciała A i B są w stanie równowagi termodynamicznej z trzecim ciałem T, to są one także w stanie równowagi

termodynamicznej ze sobą nawzajem.

lub inaczej

Każde ciało ma pewną właściwość, którą nazywamy temperaturą. W stanie równowagi termodynamicznej temperatura ciał jest równa.

termoskop

Termodynamika

Skala Kelvina

Aby zdefiniować skalę temperatur, trzeba wybrać jakieś powtarzalne zjawisko (zależne od temperatury) i przypisać mu pewną (dowolną) wartość temperatury bezwzględnej.

Przyjęto, że jest to tzw. punkt potrójny wody:

Stąd przyjęto, że kelwin to 1/273,16 różnicy pomiędzy temperaturą punktu potrójnego wody a zerem bezwzględnym.

Termodynamika

Skala Celsjusza

Anders Celsius (1701–1744) zaproponował ‘odwróconą’ skalę temperatury:

0o – wrzenie wody

100o – topnienie lodu

Carolus Linnaeus (1707–1778) zastosował te same punkty temperatury lecz odwrócił skalę:

100o – wrzenie wody

0o – topnienie lodu

Termodynamika

Skala Farenheita

Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736) użył do kalibracji:

0oF – temperatura solanki (lód, woda, sole)

100oF – temperatura żony

W skali Fahrenheita temperatura zamarzania wody: 32oF, a temperatura wrzenia wody ~ 212o F. Aby różnica wynosiła 180oF, zrobiono drobne poprawki. W wyniku poprawek temperatura ciała ludzkiego wynosi 98.6oF.

Termodynamika

Porównanie punkt potrójny wody

zero bezwzględne

Termodynamika

Termometry

• Termometry „objętościowe” związane są ze zmianą wymiarów ciała ze zmianą temperatury (rozszerzalność liniowa). Najprostszym przykładem jest termometr rtęciowy. Dokładniejszym przyrządem tego typu jest termometry gazowy stałego ciśnienia. Pomiar temperatury polega na pomiarze objętości (wymiaru liniowego) rozszerzającego się ośrodka.• Termometry gazowe stałej objętości bazują na pomiarze zmian ciśnienia ze zmianą temperatury. Służą do pomiarów małych temperatur.• Termorezysty – to elementy elektryczne, które mierzą zmiany temperatury poprzez pomiar związanej z nią zmiany oporu przewodnika bądź półprzewodnika• Termopary to układy dwóch przewodników, na stykach których wytwarza się napięcie termoelektryczne, proporcjonalne do różnicy temperatur obu styków (zjawisko Seebecka).• Pirometry mierzą temperaturę poprzez pomiar (porównanie) emisji promieniowania ciała, którego temperaturę chcemy określić, z emisją ciała doskonale czarnego – nadają się do pomiaru wysokich temperatur i do pomiarów „na odległość”.

Termodynamika

Termometry

Bolometry również bazują na fakcie, że emisja promieniowania danego ciała jest proporcjonalna do jego temperatury.

Układy bimetali służą raczej jako dwustanowe przełączniki termiczne,niż termometry, ale też pełnią rolę „mierników” temperatury.

Termodynamika

Rozszerzalność cieplna

Termodynamika

Rozszerzalność cieplna

Rozszerzalność liniowa

Termodynamika

Rozszerzalność cieplna

Termodynamika

Rozszerzalność cieplna

Termodynamika

Rozszerzalność cieplna

Przykład: Jaka jest różnica długości legara betonowego o długości 12 m, pomiędzy latem (35oC) i zimą (-5oC)?

L = 12 m

DT = 40oC

= 12*10-6/C

DL =12*10-6 *12 * 40 = 5.5*10-3 m = 5.5 mm

Termodynamika

Ciepło

Obserwowana zmiana temperatury jest wynikiem przepływu energii termicznej pomiędzy układem a jego otoczeniem.

Przekazywana energia nazywana jest ciepłem (Q).Q > 0 gdy energia jest przekazywana z otoczenia do układu (wzrasta jego energia termiczna).

Termodynamika

Ciepło

Jednostką ciepła jest dżul [J]

Kaloria (łac. calor – ciepło) – historyczna jednostka ciepła

- ilość ciepła potrzebna do podgrzania, pod ciśnieniem 1 atmosfery, 1g czystej chemicznie wody o 1 °C od temperatury 14,5 °C do 15,5 °C.

1 cal = 4,1855 J

W 1929 roku wprowadzono kalorię międzynarodową (obecnie używany w fizyce przelicznik):

1 cal = 4,1868 J

Ciepło jest energią przekazywaną między układem a jego otoczeniem na skutek istniejącej między nimi

różnicy temperatury.

Termodynamika

Przekazywanie ciepła

Termodynamika

Przemiany fazowe

Termodynamika

Przemiany fazowe

Termodynamika

Przemiany fazowe

Termodynamika

Mechanizmy przekazywania ciepła

konwekcjaprzewodnictwo

promieniowaniepromieniowanie

Termodynamika

Mechanizmy przekazywania ciepła

Przewodnictwo cieplne – bezpośredni kontakt układów, wymiana energii odbywa się w wyniku oddziaływania cząsteczek ciał; Cząstki ciała się nie przesuwają.

Substancja k [W/(m*K)]

Stal nierdzewna 14

Aluminium 235

Szkło okienne 1.0

Drewno sosnowe 0,11

Wełna mineralna 0,043

Pianka

poliuretanowa

0,024

Woda 0,57

Powietrze 0,026

Ciało

ludzkie(średnio)

0,20

Lód 2,2

Termodynamika

Mechanizmy przekazywania ciepła

Konwekcja – przenoszenie energii w cieczach i gazach nie na skutek ruchu pojedynczych cząsteczek, a w wyniku ruchu makroskopowych ilości substancji. Ruchy te występują na skutek różnicy gęstości substancji w różnych temperaturach (np. w polu grawitacyjnym planety ciepłe masy wody lub gazów unoszone są do góry, a chłodne masy opadają, ponieważ mają większą gęstość w pewnym zakresie temperatur), ruch płynu może być też wywołany inną przyczyną.

Termodynamika

Mechanizmy przekazywania ciepła

Promieniowanie cieplne – za pomocą fal elektromagnetycznych;nie jest potrzebna obecność materii.

Termodynamika

Mechanizmy przekazywania ciepła

Przykład:Powierzchnia człowieka – około 1m2

Zdolność emisyjna – około 0.75; Temperatura otoczenia Te=20 ⁰C=293KTemperatura człowieka około T=37⁰C=310K

WKKmTTSPKm

Wenet 7929331011067,5*75.0

44284442

W czasie doby 24h=86400s, tracimy:

JsWtPQ net

6108.68640079

Jeśli jemy 2000 kcal dziennie, czyli 2000 *1000*4.2J=8.4x106J

Inne: Te=30⁰C => P=34WTe=18⁰C => P=88W, na dzień Q=7.6x106J

Termodynamika

Praca a ciepło

objętość, V

ciś

nie

nie

, p

przemiana

Termodynamika

Pierwsza zasada termodynamiki

Termodynamika

Pierwsza zasada termodynamiki

Termodynamika

Pierwsza zasada termodynamiki - przykłady

Termodynamika

Pierwsza zasada termodynamiki - przykłady

Termodynamika

Gaz doskonały

Termodynamika

Gaz doskonały

Termodynamika

Przemiany gazu doskonałego

Termodynamika

Przemiany gazu doskonałego

Termodynamika

Przemiany gazu doskonałego

Termodynamika

Proces kołowy – cykl Carnota

Termodynamika

Proces kołowy – cykl Carnota

Termodynamika

Proces kołowy – cykl Carnota

Termodynamika

Proces kołowy – cykl Carnota

Termodynamika

Druga zasada termodynamiki

Termodynamika

Druga zasada termodynamiki

Dziękuję za uwagę!