Prezentacja programu PowerPoint

1
Wyklad z Termodynamiki II semestr r. ak. 2009/2010
Literatura do wykladu 1. F. Reif - "Fizyka
Statystyczna- PWN 1971. 2. K. Zalewski, -
"Wyklady z termodynamiki fenomenologicznej i
statystycznej- PWN 1978. 3. K. Zalewski, -
"Wyklady z mechaniki i termodynamiki
statystycznej dla chemików- PWN 1982. 4. C.
Kittel, - "Physik der Wärme- John Wiley 1973, lub
odpowiednik w innym jezyku. 5. A.K. Wróblewski,
J.A. Zakrzewski, - "Wstep do fizyki tom 1. PWN
1976 6. J.P. Holman, - Thermodynamics, Third
edition , Mc GRAW-HILL BOOK COMPANY, 1985
2
Termin Egzaminu

• Propozycja terminu egzaminu testowego
• koniec zajec 14 czerwca
• egzamin
• Uprzejmie informuje, ze egzamin z termodynamiki w
  I terminie odbedzie sie w dniu 15,16,17 ???
  czerwca 2011 r. w godzinach 9.00-15.00

3
Wyklad 1
1 Wiadomosci wstepne 1.1 Natura termodynamiki
Wiadomo, ze tak jak dawniej, tak równiez obecnie
energia napedza spolecznosc ludzka. Wszystko co
jest dostepne ludzkosci, dobra, uslugi, produkcja
materialna jest w prostej zaleznosci do ilosci
uzywanej na glowe energii. Termodynamika zajmuje
sie badaniem energii i jej przemian. Mogloby to
oznaczac, ze termodynamika jest nauka najsilniej
zwiazana z potrzebami czlowieka Wiemy jak wiele
jest róznych rodzajów energii. Wszystkie one moga
stac sie przedmiotem rozwazan termodynamicznych.
4
Zobaczymy pózniej, ze prawa termodynamiki
ograniczaja ilosc energii dostepnej dla wykonania
pozytecznej pracy. To narzuca koniecznosc jak
najbardziej wydajnego korzystania ze zródel
energii, uzywania tylko najbardziej wydajnych
procesów przetwarzania energii. Znane nam sa
nastepujace rodzaje energii elektryczna,
magnetyczna, jadrowa, chemiczna, energia tarcia,
zawarta w kwancie swietlnym.
Ogólnie rzecz biorac, termodynamika zajmuje sie
glównie dwoma rodzajami energii, cieplem i praca.
Na poczatku wykladu omówimy krótko szeroki zakres
zagadnien termodynamicznych.
5
1.2 Zwiazki pomiedzy mechanika klasyczna a
termodynamika
Zagadnienia mechaniki klasycznej obejmuja takie
pojecia jak sila, masa, odleglosc, czas i inne.
Sile rozumiemy jako cos co ciagnie lub pcha, a
matematycznie reprezentowane jest przez wektor.
Mechanika opiera sie na II prawie Newtona
Do opisu zjawisk mechaniki stosuje sie cialo
swobodne na które dzialaja wszystkie sily zgodnie
z II zasada dynamiki.
System (uklad) mechaniczny jest zdefiniowany
przez wspólrzedne przestrzenne i predkosc.
6
Oddzialywanie z otoczeniem jest opisane przez
dzialanie sil. Stan ukladu jest opisany przez
wspólrzedne przestrzenne, predkosc i jego
zachowanie sie. Zmiana stanu ukladu z jednego do
drugiego jest opisany przez oddzialywanie z
otoczeniem. Uklad mechaniczny nie zmienia swego
stanu bez dzialania sily zewnetrznej. Podczas,
gdy w mechanice zajmujemy sie wielkosciami
dynamicznymi, w termodynamice zajmujemy sie
porcjami energii. Ukladem w termodynamice
nazywamy wyodrebniona ilosc materii. Materia
pozostala poza ukladem stanowi otoczenie a
granice pomiedzy tymi dwoma stanami stanowi brzeg
ukladu.
7
Np. masa powietrza zamknieta w butli pod
cisnieniem stanowi uklad, wewnetrzna sciana butli
to brzeg ukladu, a sama butla i to co na
zewnatrz stanowi otoczenie.
Sprezone powietrze
Brzeg ukladu
Otoczenie
Granice naszego ukladu moga byc rzeczywiste lub
urojone.
8
Stan ukladu termodynamicznego opisany jest przez
wspólrzedne termodynamiczne. Zwykle nie mozemy na
poczatku podac wszystkich wspólrzednych. Typowymi
przykladami takich wspólrzednych sa temperatura,
cisnienie, objetosc, gestosc, energia chemiczna,
ilosc substancji. Te wspólrzedne zwykle nazywamy
wlasnosciami ukladu.
Rozwazmy krótko niektóre z podanych
wspólrzednych
TEMPERATURA stan cieploty, goraca Wolno
poruszajace sie atomy lub czasteczki maja niska
temperature. Szybko poruszajace sie atomy lub
czasteczki maja wysoka temperature.
9
v
CISNIENIE sila dzialajaca na powierzchnie
ciezar
10
GESTOSC masa na jednostke objetosci
Duza gestosc
Mala gestosc
ILOSC SUBSTANCJI ile tego jest
1 2 3 12
144
6.022 1023
Liczba Avogadry
tuzin
gross
11
STANY SKUPIENIA
12
Stany skupienia materii scisle zaleza od wartosci
okreslonych wspólrzednych termodynamicznych. Sa
nimi cisnienie i temperatura.
p
Cialo stale
pK
Ciecz
Plazma
Punkt Krytyczny
Punkt Potrójny
pP
Gaz
Para
T
TK
TP
13
Zmiana ukladu termodynamicznego polega na
zachodzeniu jakiegos procesu przemiany. W
termodynamice interesuje nas, jakim zmianom moze
podlegac uklad na wskutek tych przemian.
Jesli chcemy opisac stan ukladu na kazdym etapie
przemiany, musimy byc w stanie zdefiniowac stan
ukladu. Aby to móc zrobic musimy wprowadzic
pojecie równowagi ukladu. Uklad jest w
równowadze, jesli np. jego cisnienie, temperatura
i gestosc sa jednorodne. Definicja ta jednak nie
jest pelna. Aby móc okreslic wspólrzedne
termodynamiczne ukladu, musi on znajdowac sie w
równowadze.
14
Interesuja nas przemiany bedace ciagiem
(lancuchem) stanów równowagi. W takiej przemianie
potrafimy zdefiniowac uklad na kazdym etapie.
Procesy takie nazywamy odwracalnymi lub
kwazistatycznymi.
Proces odwracalny jest to proces który moze
przebiegac w obydwie strony nieskonczenie dlugo
bez strat.
Proces nieodwracalny jest to taki w którym mamy
do czynienia ze strata energii. Przyczynami
takich strat moga byc Tarcie, spadki napiecia,
temperatury, cisnienia i stezenia.
Przykladem procesu nieodwracalnego jest
pekniecie nadmuchanego balonika.
15
Dobrym przykladem na proces odwracalny lub
nieodwracalny jest wymiana dewiz. Jest to proces
odwracalny zakladajac staly kurs i brak oplaty,
a nieodwracalny w przypadku pobierania oplaty za
wymiane.
16
1.3 Temperatura, cieplo i zerowa zasada
termodynamiki
Zwykle przyjmuje sie, ze rozumiemy pojecie ciepla
i temperatury. Termodynamika zajmuje sie
badaniami majacymi na celu precyzyjne rozumienie
tych pojec. Zwykle intuicyjne pojmowanie
temperatury kiedy czegos dotykamy wiaze sie z
transportem energii lub wymiana ciepla. Mozna
wiec wywnioskowac, ze pomiedzy dwoma cialami o
tej samej temperaturze nie ma wymiany ciepla.
Równosc temperatury nie wystarcza do stworzenia
bezwzglednej skali temperatur.
Pojecie równosci temperatur ujmuje tzw. zerowa
zasada termodynamiki. Mówi ona, ze
17
Jesli dwa ciala sa w równowadze termicznej z
cialem trzecim, to sa równiez w równowadze
wzajemnej.
Warunkiem pelnej równowagi tych cial jest
równiez równosc ich cisnien, brak reakcji
chemicznych przy doprowadzeniu tych cial do
kontaktu.
Cieplo jest strumieniem energii wynikajacym z
róznicy temperatur
Na nastepnej stronie pokazany jest przyklad
pojawienia sie przeplywu ciepla.
18
T1
temperatura w precie
T2
T1 gt T2
T1
T2
cieplo
Kule i pret miedziany
19
1.4 Skale temperatur
Uzywana na co dzien skala temperatur jest skala
Celsjusza(0C). Absolutna termodynamiczna skala
odpowiadajaca skali Celsjusza jest skala
Kelvina(K).
Inna skala jest skala Farenheita( 0F), dla której
skala absolutna jest skala Rankinea( 0R).
Dla skali Kelvina i Rankinea zro absolutne jest
takie same -273.15 0C.
0F 32.0 9/5 0C 0R 0F 459.67 K 0C
273.15 0R 9/5 K
Na nastepnej stronie przedstawione sa niektóre
punkty termometryczne dla skali Celsjusza..
20
Cisnienie normalne p0 1.0232 105 N/m2
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 krzepniecia cynku 419.58
10 Punkt krzepniecia srebra 961.93
11 Punkt krzepniecia zlota 1064.43
21
1.5 Pojecie stanu ukladu
Wiemy z obserwacji, ze pewne wlasnosci materii sa
funkcjonalnie zwiazane ze soba
rozszerzalnosc cieplna temperatura
cisnienie objetosc i temperatura
Stwierdzilismy, ze stan ukladu mozemy okreslic
gdy znajduje sie on w warunkach
równowagi. Zachodzi pytanie ilu wspólrzednych
potrzebujemy aby tego dokonac.
W mechanice dla opisania pozycji na plaszczyznie
wystarcza dwie wspólrzedne w ukladzie
kartezjanskim , a w przestrzeni trzy. Stan lub
pozycja czastki jest w pelni oddana przez
wspólrzedne ukladu kartezjanskiego. Jesli jednak
chcemy opisac stan dynamiczny ukladu, musimy
podac wspólrzedne predkosci.
22
W termodynamice wystepowac beda pewne pierwotne
wlasnosci konieczne do okreslenia stanu ukladu,
podczas gdy pozostale beda funkcjonalnie od nich
zalezne. Liczbe pierwotnych parametrów
koniecznych do okreslenia stanu ukladu mozemy
uzyskac tylko z doswiadczenia.
Dla gazu idealnego do okreslenia jego stanu
wystarcza dwie z posród trzech wielkosci,
cisnienia, temperatury i objetosci.