Zerowa zasada termodynamiki - if.pw.edu.plantonowi/Wyklad_8.pdf · Zerowa zasada termodynamiki:...

20
1

Transcript of Zerowa zasada termodynamiki - if.pw.edu.plantonowi/Wyklad_8.pdf · Zerowa zasada termodynamiki:...

1

Zerowa zasada termodynamiki: jeśli ciało A jest w równowadze termicznej z ciałem B, a ciało B jest w równowadze termicznej z ciałem C, to ciała A i C również są w równowadze termicznej.

Ciepło jest sposobem przekazywania energii z jednego ciała do drugiego. Ciepło przepływa pod wpływem różnicy temperatur. Jeżeli ciepło nie przepływa mówimy o stanie równowagi termicznej.

Temperatura jest wspólną własnością dwóch ciał, które pozostają ze sobą w równowadze termicznej.

2

Skala Celsjusza: 1 °C jest równy 1/100 różnicy temperatur topnienia lodu i wrzenia wody.

Skala Kelwina: 1 K= 1/273.16 temperatury punktu potrójnego wody (0 K=-273.16 °C)

W termometrze wykorzystuje się zjawisko rozszerzalności cieplnej

cieczy (np. rtęci)

3

Gaz doskonały jest wyidealizowanym modelem gazu spełniającym następujące warunki: 1. Cząsteczki gazu mają zaniedbywalnie małe rozmiary 2. Cząsteczki poruszją się chaotycznie 3. Cząsteczek jest bardzo dużo 4. Brak jest oddziaływań między cząsteczkami innych niż zderzenia

sprężyste 5. Poza momentami zderzenia na cząstki nie działają żadne siły Rzeczywiste gazy nie spełniają ściśle powyższych założeń. Dobrym przybliżeniem gazu idealnego jest gaz pod niskim ciśnieniem.

Stan gazu doskonałego opisują zmienne termodynamiczne: 1. Temperatura: T 2. Ciśnienie: P 3. Objętość: V

4

NRTPV

P – ciśnienie (siła/powierzchnię) V – objętość N – liczba moli gazu R – uniwersalna stała gazowa (R=8.315 J‧mol/K) T – temperatura w Kelwinach

Równanie Clapeyrona – opisuje związek pomiędzy zmiennymi termodynamicznymi gazu doskonałego

5

Tmgh 2

Opadające ciężarki powodują obrót łopatek, które na skutek

tarcia o wodę powodują wzrost jej temperatury

Energia 4.186 J powoduje wzrost temperatury 1g wody o 1C.

1 kaloria 4.186 J

6

Jaką pracę W należy wykonać aby „spalić” posiłek o wartości energetycznej 2000 kilokalorii? Zakładamy, że wykonujemy ćwiczenie polegające na podnoszeniu ciężaru o masie 50 kg na wysokość 2m.

JcalJcalW 66 1037.8/186.4102

nmghJ 61037.8

!!!1054.82/81.950

1037.8 3

2

6

razymsmkg

Jn

7

Dostarczenie energii do ciała bez wykonania nad nim pracy powoduje wzrost jego temperatury. Na przykład aby temperatura 1g wody wzrosła o 1°C musimy dostarczyć 4.186 J energii cieplnej (1 kalorię).

TCQ Pojemość ciepla C jest ilością ciepła potrzebną do ogrzania ciała o 1°C

Tm

Qc

Ciepło właściwe c jest pojemnością cieplną przypadająca na jednostkę masy (masowe ciepło właściwe), lub jednostkę ilości materii (molowe ciepło właściwe

8

Substancja Ciepło właściwe [J/kg‧K]

woda 4181

para wodna (100°C) 2010

drewno 1700

szkło 837

marmur 860

aluminium 900

złoto 129

Wartości ciepła właściwego różnych substancji (w temperaturze pokojowej i ciśnieniu atmosferycznym)

9

Dostarczanie energii cieplnej ciału może prowadzić do jego ogrzania, ale może też doprowadzić do przemiany fazowej. Ciepłem przemiany L nazywamy stosunek ciepła potrzebnego do zajścia przemiany w danej substacji do masy tej substancji.

m

QL

Ciepło topnienia lodu: L=3.33‧105 J/kg

Ciepło parowania wody: L=2.26‧106 J/kg

para

Energia dostarczona [J] lód

woda

lód + woda

woda + para

10

definicja ciepła przemiany

Objętość gazu rośnie o dV

PAF

PdVPAdyFdydW

f

i

V

V

PdVW

dVAdy

Praca = pole pod krzywą P(V)

Konwencja: W>0 gdy pracę wykonuje układ W<0 gdy praca jest wykonywana nad układem

11

Praca W podczas przemiany zależy nie tylko od stanu początkowego i końcowego, ale także od sposobu przeprowadzenia przemiany. Analogiczne stwierdznie dotyczy ciepła Q wymienionego pomiędzy układem a otoczenim.

12

Zarówno praca W wykonana przez układ jak i ciepło Q pochłonięte przez układ zależą od sposobu przeprowadzenia przemiany. Różnica Q-W nie zależy jednak od sposobu przeprowadzenia przemiany

Różnicę Q-W nazywamy zmianą energii wewnętrznej U układu. Zmiana energii wewnetrznej zależy tylko od stanu początkowego i stanu końcowego.

WQU

zmiana energii wewnętrznej

układu

ciepło dostarczone do

układu

praca wykonana przez układ

13

Energia wewnętrzna – całkowita energia zgromadzona w ciele. Jest ona sumą całkowietej energii kinetycznej i potencjalnej cząsteczek tworzących układ.

0QW

Dla układu izolowanego:

czyli:

0U

Pierwsza zasada termodynamiki jest sposobem wyrażenia zasady zachowania energii.

constU lub

14

Przemiana adiabatyczna: Q=0

WU

Przemiana izobaryczna: P=const

if VVPW

Przemiana izochoryczna: V=const

QU

Przemiana izotermiczna: T=const

0UQW czyli

A-izochora B-adiabata C-izoterma D-izobara

15

praca = pole

Praca w przemianie cyklicznej jest równa polu zamkniętemu krzywą

Przemiana cykliczna- przemiana, w której stan końcowy jest taki sam jak stan początkowy

16

17

Silnik cieplny – urządzenie przekształcające energię wewnętrzną w energię mechaniczą

18

Q1

Zbiornik o T2<T1

Zbiornik o T1

Q2

Silnik

W=Q1-Q2

Praca wykonana przez silnik cieplny jest równa różnicy między ciepłem pobranym od grzejnika a ciepłem oddanym do chłodnicy

21 QQW

Sprawność silnika definiujemy jako stosunek pracy wykonanej do pobranego ciepła:

1

21

1 Q

QQ

Q

W

19

Nie można skonstruować silnika który zamieniałby całe ciepło pobrane w pracę.

Zbiornik o T2

Q1

Silnik

W=Q1

Zbiornik o T1

20

Pierwsza zasada termodynamiki: nie można skonstruować maszyny, która wytwarza więcej energii niż sama zużywa.

Druga zasada termodynamiki: nie można skonstruować maszyny, która zamienia całą pobraną energię w pracę.