Termodynamika

1. Termodynamika

2. Spis treści: Termodynamika Gaz doskonały Klasyczny gaz idealny Ciepło właściwe I zasada termodynamiki Zmiana energii wewnętrznej Procesy termodynamiczne Sprawność silnika Cykl Carnota II zasada termodynamiki

3. Termodynamika Dział fizyki zajmujący się badaniem energetycznych efektów wszelkich przemian fizycznych i chemicznych, które wpływają na zmiany energii wewnętrznej analizowanych układów. Wbrew rozpowszechnionym sądom termodynamika nie zajmuje się wyłącznie przemianami cieplnymi, lecz także efektami energetycznymi reakcji chemicznych, przemian z udziałem jonów, przemianami fazowymi, a nawet przemianami jądrowymi.

4. GAZ DOSKONAŁY To gaz idealny spełniający następujące warunki : Brak oddziaływań międzycząsteczkowych w gaziezwyjątkiem odpychania w momencie zderzeń cząsteczek Objętość cząsteczek jest znikoma w stosunku do objętości gazu Zderzenia cząsteczek są doskonale sprężyste

5. KLASYCZNY GAZ IDEALNY Gaz taki w mechanice klasycznej opisuje równanie Clapeyrona(równanie stanu gazu doskonałego), przedstawiające zależność między ciśnieniem gazu (p), jego objętością (V), temperaturą (T) i licznością (n) wyrażoną w molach: pV=nRT gdzie R jest stałą gazowa lub pV=NkT gdzie k jest stałą Boltzmana

6. Gaz doskonały to model, słuszny w pełni jedynie dla bardzo rozrzedzonych gazów (wzrost ciśnienia powoduje, że zmniejszają się odległości między cząsteczkami, co trzeba uwzględnić, oraz powoduje wzrost przyciągania cząsteczek), w niezbyt niskich (zaczyna dominować przyciąganie cząsteczek), ani zbyt wysokich temperaturach (zderzenia przestają być sprężyste), jednak może być stosowany w praktyce do niemalże wszystkich gazów w warunkach normalnych. Dla gazów rzeczywistych przy dużych gęstościach i ciśnieniach niezbędne jest stosowanie równań uwzględniających w/w pominięte efekty.

7. CIEPŁO WŁAŚCIWE Ilość ciepła potrzebnego do ogrzania jednego kilograma substancji o jeden stopień to tzw. ciepło właściwe Ciepło molowe jest to ilość ciepła potrzebnego do ogrzania jednego mola substancji o jeden stopień

8. Ponieważ to Gazy mogą być ogrzewane w wyniku dostarczania ciepła tylko w przemianie izobarycznej (p = const.) i izochorycznej (V = const.).

9. Ogrzanie 1 mola gazu o 1 K w obu przypadkach wymaga różnych ilości ciepła i dlatego ciepło molowe (i właściwe) przy stałym ciśnieniu (Cp) ma inną wartość niż ciepło molowe (i właściwe) przy stałej objętości (Cv). Związek między ciepłymi molowymi ma postać : Cp = Cv + R,gdzie R- to stała gazowa Iloraz Cp i Cv stanowi wykładnik adiabatyczny c, gdzie:

10. I ZASADA TERMODYNAMIKI Pierwsza zasada termodynamiki to prosta zasada zachowania energii, czyli ogólna reguła głosząca, że energia w żadnym procesie nie może pojawić się "znikąd". ΔU = ΔQ+ ΔW Gdzie: ΔU - zmiana energii wewnętrznej układu ΔQ - ciepło wymienione przez układ z otoczeniem, jeśli układ oddaje ciepło, jego energia wewnętrzna maleje ΔW - praca wykonana przez układ lub nad układem

11. ZMIANA ENERGII WEWETRZNEJ UKŁADU Wykonując pracę W nad układem lub doprowadzając do sytuacji, gdzie układ wykonuje pracę Dostarczając do układu energię poprzez ciepło Q lub doprowadzając do sytuacji, gdy układ oddaje ciepło

12. PROCESY TERMODYNAMICZNE Procesem termodynamicznym nazywamy proces zmian układu termodynamicznego. Rozróżniamy procesy odwracalne i nie odwracalne. Proces jest odwracalny, gdy możemy go przeprowadzić w kierunku odwrotnym – ze stanu końcowego do stanu początkowego – przez ten sam ciąg stanów pośrednich, nie wywołując przy tym żadnych zmian w otoczeniu. Przykładem procesów termodynamicznych odwracalnych są przemiany: izotermiczna, izochoryczna, izobaryczna i adiabatyczna.

13. N S PROCESY NIEODWRACALNE Siła tarcia Siła lepkości Prądy wirowe w metalu

14. PRZEMIANA IZOTERMICZNA Zachodzi, gdy temperatura jest stała, ciśnienie i objętość zmieniają się odwrotnie do siebie. Równanie przemiany izotermicznej (prawo Boyle'a - Mariotte'a) ma postać: p1V1 = p2V2 czyli pV = const

15. Wykresem zależności pV=const jest hiperbola, która nazywana jest izotermą.

16. PRZEMIANA IZOBARYCZNA Zachodzi, gdy ciśnienie gazu nie ulega zmianie (jest stałe). Objętość i temperatura gazu w tej przemianie zmieniają się wprost proporcjonalnie do siebie. Ta przemiana gazu nastąpi, gdy otrzyma on ciepło z zewnątrz (gaz ogrzeje się i wykona pracę przesuwając tłok w stronę rosnącej objętości) lub gdy gaz oddaje ciepło na zewnątrz (siły zewnętrzne wykonują pracę w celu zmniejszenia objętości oraz wyrównania ciśnienia i równocześnie nastąpi oziębienie gazu).

17. Ciśnienie gazu jest stałe i równe sumie ciśnienia tłoka i ciśnienia atmosferycznego: p=pa+ pt Równanie przemiany izobarycznej ma postać (prawo Gay - Lussaca): czyli = const

18. Wykresy zależności p(T), p(V), V(T) (czyli izobary) mają poniżej przedstawione przebiegi:

19. PRZEMIANA IZOCHORYCZNA Zachodzi, gdy objętość gazu nie ulega zmianie (stała objętość naczynia) a ciśnienie i temperatura gazu zmieniają się wprost proporcjonalnie do siebie. Równanie przemiany izochorycznej (prawo Charlesa) ma postać: czyli

20. Ta przemiana gazu nastąpi, gdy otrzyma on ciepło (ogrzeje się) lub gdy odda ciepło na zewnątrz (oziębia się).

21. PRZEMIANA ADIABATYCZNA Jest to przemiana w której nie ma wymiany ciepła z otoczeniem i wszystkie parametry określające stan gazu (p, V, T) ulegaj zmianie. Równanie przemiany ma postać (równanie Poissona): czyli oraz

22. Wykładnik potęgi (kappa)- wykładnik adiabaty, przyjmuje wartości: dla gazów jednoatomowych np., He, Ar, Kr dla gazów dwuatomowych np., O2, H2, CO dla gazów o cząsteczkach trój lub więcej atomowych np., H2O, CO2

23. Wykresy przemiany adiabatycznej (adiabaty) w porównaniu z wykresami przemiany izotermicznej:

24. SPRAWNOŚĆ SILNIKA Silnik, który nie może istnieć w przyrodzie Musi być spełniony warunek: tymczasem mamy:

25. Silnik, który może istnieć w przyrodzie: Aby silnik działał prawidłowo, musi spełniać zasady termodynamiki: sprawność: tak musi być, aby silnik spełniał zasady termodynamiki

26. CYKL CARNOTA Silnik to układ termodynamiczny podlegający procesowi cyklicznemu, tzn. procesowi, w którym stan końcowy jest identyczny ze stanem początkowym. Cykl Carnota składa się z następujących procesów: pobranie ciepła Q>0 ze zbiornika o temperaturze T, przekazanie ciepła Q'>0 do zbiornika o temperaturze T', T , wykonanie pracy W>0

27. Cykl Carnota w układzie (p,V) Cykl Carnota w układzie (S,T)

28. II ZASADA TERMODYNAMIKI Według Clausiusa Nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem jest pobieranie ciepła ze zbiornika chłodniejszego i przekazanie go do zbiornika cieplejszego. Według Kelwina Nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem jest pobranie ciepła i całkowita jego zmiana na pracę.