Upload
others
View
7
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
2011-02-28 Reinhard Kulessa 1
Wykład z TermodynamikiII semestr r. ak. 2009/2010
Literatura do wykładu
1. F. Reif - "Fizyka Statystyczna- PWN 1971.
2. K. Zalewski, - "Wykłady z termodynamiki fenomenologicznej i statystycznej- PWN 1978.
3. K. Zalewski, - "Wykłady z mechaniki i termodynamiki statystycznej dla chemików- PWN 1982.
4. C. Kittel, - "Physik der Wärme- John Wiley 1973, lub odpowiednik w innym języku.
5. A.K. Wróblewski, J.A. Zakrzewski, - "Wstęp do fizyki„ tom 1. PWN 1976
6. J.P. Holman, - Thermodynamics”, Third edition , Mc GRAW-HILL
BOOK COMPANY, 1985
2011-02-28 Reinhard Kulessa 2
Termin Egzaminu
• Propozycja terminu egzaminu testowego
koniec zajęć – 14 czerwcaegzamin
Uprzejmie informuj ę, że egzamin z termodynamiki w I terminie odbędzie się w dniu 15,16,17 ??? czerwca 2011 r. w godzinach 9.00-15.00
2011-02-28 Reinhard Kulessa 3
Wykład 11 Wiadomości wstępne1.1 Natura termodynamiki
Wiadomo, że tak jak dawniej, tak również obecnie energia napędza społeczność ludzką. Wszystko co jest dostępne ludzkości, dobra, usługi, produkcja materialna jest w prostej zależności do ilości używanej na głowę energii.
Termodynamika zajmuje się badaniem energii i jej przemian. Mogłoby to oznaczać, że termodynamika jest nauką najsilniej związaną z potrzebami człowieka
Wiemy jak wiele jest różnych rodzajów energii. Wszystkie one mogą stać się przedmiotem rozważańtermodynamicznych.
2011-02-28 Reinhard Kulessa 4
Zobaczymy później, że prawa termodynamiki ograniczająilość energii dostępnej dla wykonania pożytecznej pracy.To narzuca konieczność jak najbardziej wydajnego korzystania ze źródeł energii, używania tylko najbardziej wydajnych procesów przetwarzania energii. Znane nam sąnastępujące rodzaje energii: elektryczna, magnetyczna, jądrowa, chemiczna,energia tarcia, zawarta w kwancie świetlnym.
Ogólnie rzecz biorąc, termodynamika zajmuje się głównie dwoma rodzajami energii, ciepłem i pracą.
Na początku wykładu omówimy krótko szeroki zakres zagadnień termodynamicznych.
2011-02-28 Reinhard Kulessa 5
1.2 Związki pomiędzy mechaniką klasyczną a termodynamiką
Zagadnienia mechaniki klasycznej obejmują takie pojęcia jak siła, masa, odległość, czasi inne. Siłę rozumiemy jako cośco ciągnie lub pcha, a matematycznie reprezentowane jest przez wektor. Mechanika opiera się na II prawie Newtona:
)( vmdt
dF
�
�
∑ =
Do opisu zjawisk mechaniki stosuje się ciało swobodnena które działają wszystkie siły zgodnie z II zasadą dynamiki.
System (układ) mechaniczny jest zdefiniowany przez współrzędne przestrzenne i prędkość.
2011-02-28 Reinhard Kulessa 6
Oddziaływanie z otoczeniem jest opisane przez działanie sił.
Stan układu jest opisany przez współrzędne przestrzenne, prędkość i jego zachowanie się. Zmiana stanu układu z jednego do drugiego jest opisany przez oddziaływanie z otoczeniem. Układ mechaniczny nie zmienia swego stanu bez działania siły zewnętrznej.
Podczas, gdy w mechanice zajmujemy się wielkościami dynamicznymi, w termodynamice zajmujemy się porcjami energii.
Układem w termodynamicenazywamy wyodrębnioną ilośćmaterii. Materia pozostała poza układem stanowi otoczenie a granicę pomiędzy tymi dwoma stanami stanowi brzeg układu.
2011-02-28 Reinhard Kulessa 7
Sprężone powietrze
Brzeg układu
Np. masa powietrza zamknięta w butli pod ciśnieniem stanowi układ, wewnętrzna ściana butli to brzeg układu,a sama butla i to co na zewnątrz stanowi otoczenie.
Otoczenie
Granice naszego układu mogą być rzeczywistelub urojone.
2011-02-28 Reinhard Kulessa 8
Stan układu termodynamicznego opisany jest przez współrzędne termodynamiczne.Zwykle nie możemy na początku podać wszystkich współrzędnych. Typowymi przykładami takich współrzędnych są temperatura, ciśnienie, objętość, gęstość, energia chemiczna, ilośćsubstancji.
Te współrzędne zwykle nazywamy własnościami układu.
TEMPERATURA = “stan ciepłoty, gorąca”
Wolno poruszające się atomy lub cząsteczki maja niskątemperaturę.
Szybko poruszające się atomy lub cząsteczki maja wysokątemperaturę.
Rozważmy krótko niektóre z podanych „współrzędnych”
2011-02-28 Reinhard Kulessa 9
Wysoka T Niska Tv
CIŚNIENIE =„siła działająca na powierzchnię
zderzenie
A
Fp = F
A
ciężar
2011-02-28 Reinhard Kulessa 10
GĘSTOŚĆ =„masa na jednostkę objętości”
Duża gęstość Mała gęstość
τρ m=
………….………………...
1 2 3 12 144 6.022 × 1023
tuzin
gross
ILO ŚĆ SUBSTANCJI = „ile tego jest”
Liczba Avogadry
2011-02-28 Reinhard Kulessa 11
Ciało stałe Ciecz
Gaz Plazma
STANY SKUPIENIA
2011-02-28 Reinhard Kulessa 12
Stany skupienia materii ściśle zależą od wartości określonych współrzędnych termodynamicznych. Są nimi ciśnienie i temperatura.
T
p
Punkt Potrójny
PunktKrytyczny
TKTP
pK
pP
Ciało stałe Ciecz
Para Gaz
Plazma
2011-02-28 Reinhard Kulessa 13
Zmiana układu termodynamicznegopolega na zachodzeniu jakiegoś procesu przemiany.
W termodynamice interesuje nas, jakim zmianom może podlegać układ na wskutek tych przemian.
Jeśli chcemy opisać stan układu na każdym etapie przemiany, musimy być w stanie zdefiniować stan układu.
Aby to móc zrobić musimy wprowadzić pojęcie równowagi układu.
Układ jest w równowadze, jeśli np. jego ciśnienie, temperatura i gęstość są jednorodne. Definicja ta jednak nie jest pełna.
Aby móc określić współrzędne termodynamiczne układu, musi on znajdować się w równowadze.
2011-02-28 Reinhard Kulessa 14
Interesują nas przemiany będące ciągiem (łańcuchem) stanów równowagi.W takiej przemianie potrafimy zdefiniować układ na każdym etapie. Procesy takie nazywamy odwracalnymilub kwazistatycznymi.
Proces odwracalny jest to proces który może przebiegaćw obydwie strony nieskończenie długo bez strat.
Proces nieodwracalnyjest to taki w którym mamy do czynienia ze stratą energii.
Przyczynami takich strat mogą być:
Tarcie, spadki napięcia, temperatury, ciśnienia i stężenia.
Przykładem procesu nieodwracalnego jest pęknięcie nadmuchanego balonika.
2011-02-28 Reinhard Kulessa 15
Proces nieodwracalny, chybaŻe dostarczy się energii
X
Dobrym przykładem na proces odwracalny lub nieodwracalnyjest wymiana dewiz. Jest to proces odwracalny zakładając stałykurs i brak opłaty, a nieodwracalny w przypadku pobieraniaopłaty za wymianę.
2011-02-28 Reinhard Kulessa 16
1.3 Temperatura, ciepło i zerowa zasada termodynamiki
Zwykle przyjmuje się, że rozumiemy pojęcie ciepła i temperatury. Termodynamika zajmuje się badaniami mającymi na celu precyzyjne rozumienie tych pojęć. Zwykle intuicyjne pojmowanie temperatury kiedy czegoś dotykamy wiąże się z transportem energii lub wymianą ciepła. Można więc wywnioskować, że pomiędzy dwoma ciałami o tej samej temperaturze nie ma wymiany ciepła.
Równość temperatury nie wystarcza do stworzenia bezwzględnej skali temperatur.
Pojęcie równości temperatur ujmuje tzw. zerowa zasada termodynamiki. Mówi ona, że:
2011-02-28 Reinhard Kulessa 17
Ciepło jest strumieniem energii wynikającym z różnicy temperatur
Jeśli dwa ciała są w równowadze termicznej z ciałem trzecim, to są również w równowadze wzajemnej.
Warunkiem pełnej równowagi tych ciał jest równieżrówność ich ciśnień, brak reakcji chemicznych przy doprowadzeniu tych ciał do kontaktu.
Na następnej stronie pokazany jest przykład pojawienia sięprzepływu ciepła.
2011-02-28 Reinhard Kulessa 18
T1
T2
T1 T2
ciepło
temperaturaw pręcie
T1 > T2
Kule i pr ętmiedziany
2011-02-28 Reinhard Kulessa 19
1.4 Skale temperatur
Używaną na co dzień skalą temperatur jest skala Celsjusza(0C).
Absolutną termodynamiczną skalą odpowiadającą skali Celsjusza jest skala Kelvina(K).
Inną skalą jest skala Farenheita( 0F), dla której skaląabsolutną jest skala Rankine’a( 0R).
Dla skali Kelvina i Rankine’a zro absolutne jest takie same; -273.15 0C.
0F = 32.0 + 9/5 0C0R = 0F +459.67K = 0C + 273.15
0R = 9/5 K
Na następnej stronie przedstawione są niektóre punkty termometryczne dla skali Celsjusza..
2011-02-28 Reinhard Kulessa 20
1064.43Punkt krzepnięcia złota11
961.93Punkt krzepnięcia srebra10
419.58Punkt krzepnięcia cynku9
100.00Punkt wrzenia wody p08
0.01Punkt potrójny wody7
-182.962Punkt wrzenia tlenu p06
-218.789Punkt potrójny tlenu5
-246.048Punkt wrzenia neonu pod p04
-252.87Punkt wrzenia wodoru pod p03
-256.108Punkt wrzenia wodoru2
-259.34Punkt potrójny wodoru1
Ciśnienie normalne p0 = 1.0232 105 N/m2
2011-02-28 Reinhard Kulessa 21
1.5 Pojęcie stanu układu
Wiemy z obserwacji, że pewne własności materii sąfunkcjonalnie związane ze sobą:
rozszerzalność cieplna – temperaturaciśnienie – objętość i temperatura
Stwierdziliśmy, że stan układu możemy określić gdy znajduje się on w warunkach równowagi.Zachodzi pytanie ilu współrzędnych potrzebujemy aby tego dokonać.
W mechanice dla opisania pozycji na płaszczyźnie wystarczą dwie współrzędne w układzie kartezjańskim , a w przestrzeni trzy. Stan lub pozycja cząstki jest w pełni oddana przez współrzędne układu kartezjańskiego. Jeśli jednak chcemy opisać stan dynamiczny układu, musimy podać współrzędne prędkości.
2011-02-28 Reinhard Kulessa 22
W termodynamice występować będą pewne pierwotne własności konieczne do określenia stanu układu, podczas gdy pozostałe będą funkcjonalnie od nich zależne. Liczbępierwotnych parametrów koniecznych do określenia stanu układu możemy uzyskać tylko z doświadczenia.
Dla gazu idealnego do określenia jego stanu wystarczą dwie z pośród trzech wielkości, ciśnienia, temperatury i objętości.