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 czerwca egzamin Uprzejmie informuję, 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 rozważań termodynamicznych.

2011-02-28 Reinhard Kulessa 4

Zobaczymy później, że prawa termodynamiki ograniczają ilość 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 są następujące 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, czas i inne. Siłę rozumiemy jako coś co 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 swobodne na 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 termodynamice nazywamy wyodrębnioną ilość materii. 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 rzeczywiste lub 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, ilość substancji.

Te współrzędne zwykle nazywamy własnościami układu.

TEMPERATURA = “stan ciepłoty, gorąca”

Wolno poruszające się atomy lub cząsteczki maja niską temperaturę.

Szybko poruszające się atomy lub cząsteczki maja wysoką temperaturę.

Rozważmy krótko niektóre z podanych „współrzędnych”

2011-02-28 Reinhard Kulessa 9

Wysoka T Niska T

v

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

m

………….………………...

1 2 3 12 144 6.022 × 1023

tuzin

gross

ILOŚĆ 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

Punkt Krytyczny

TKTP

pK

pP

Ciało stałe Ciecz

Para Gaz

Plazma

2011-02-28 Reinhard Kulessa 13

Zmiana układu termodynamicznego polega 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 odwracalnymi lub kwazistatycznymi.

Proces odwracalny jest to proces który może przebiegać w obydwie strony nieskończenie długo bez strat.

Proces nieodwracalny jest 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 również równość ich ciśnień, brak reakcji chemicznych przy doprowadzeniu tych ciał do kontaktu.

Na następnej stronie pokazany jest przykład pojawienia się przepływu ciepła.

2011-02-28 Reinhard Kulessa 18

T1

T2

T1 T2

ciepło

temperatura w pręcie

T1 > T2

Kule i prętmiedziany

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 skalą absolutną 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 +459.67 K = 0C + 273.15

0R = 9/5 K

Na następnej stronie przedstawione są niektóre punkty termometryczne dla skali Celsjusza..

2011-02-28 Reinhard Kulessa 20

1 Punkt potrójny wodoru -259.34

2 Punkt wrzenia wodoru -256.108

3 Punkt wrzenia wodoru pod p0 -252.87

4 Punkt wrzenia neonu pod p0 -246.048

5 Punkt potrójny tlenu -218.789

6 Punkt wrzenia tlenu p0 -182.962

7 Punkt potrójny wody 0.01

8 Punkt wrzenia wody p0 100.00

9 Punkt krzepnięcia cynku 419.58

10 Punkt krzepnięcia srebra 961.93

11 Punkt krzepnięcia złota 1064.43

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 są funkcjonalnie związane ze sobą: rozszerzalność cieplna – temperatura ciśnienie – 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. Liczbę pierwotnych 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.