Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Fizyka statystyczna Grzegorz Górski

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Fizyka statystyczna Grzegorz Górski"— Zapis prezentacji:

1 Fizyka statystyczna Grzegorz Górski

2 2Literatura D. Halliday, R. Resnick „Fizyka” tom 1 (starsze wydania) lub 2 (wydania najnowsze) Sz. Szczeniowski „Fizyka doświadczalna” tom 2 R. Hołyst, A. Poniewierski, A. Ciach „Termodynamika dla chemików, fizyków i inżynierów” F. Reif - "Fizyka Statystyczna- PWN. K. Zalewski, - "Wykłady z termodynamiki fenomenologicznej i statystycznej- PWN.

3 3 Program wykładów Równanie stanu gazu idealnego, masa atomowa i molowa, przemiana izobaryczna, izochoryczna, izotermiczna i adiabatyczna, zasada ekwipartycji energii, ciepło właściwe w stałej objętości i przy stałym ciśnieniu gazów 1, 2 i wieloatomowych. Relacja Poissona dla adiabatycznej przemiany gazów. Związek Cp i Cv dla gazów Równanie stanu gazu idealnego

4 4 Pierwsze prawo termodynamiki, przelicznik ciepła i pracy, entalpia jako funkcja cieplna, pierwsze prawo termodynamiki dla procesów infinitezymalnych, pojęcie temperatury i temperatura absolutna. Pierwsza zasada termodynamiki

5 5 Procesy odwracalne i nieodwracalne, druga zasada termodynamiki, sprawność maszyny cieplnej, entropia, uogólnione wyrażenie II zasady poprzez entropię jako funkcję stanu, kierunek zmian różnych funkcji termodynamicznych, cykl Carnot’a dla gazu idealnego. Druga zasada termodynamiki

6 6 Funkcje termodynamiczne, ich zmienne niezależne i ich różniczki, relacja Gibbsa-Duhema, pochodne cząstkowe funkcji termodynamicznych, III prawo termodynamiki, warunki równowagi dwóch podsystemów, diagram mnemoniczny różnych funkcji termodynamicznych, entropia, energia swobodna Helmholtza i Gibbsa dla mieszaniny gazów, Funkcje termodynamiczne

7 7 Zespół Mikrokanoniczny Zespół Kanoniczny Rozkład prawdopodobieństwa Gibbsa Średnia energia Związek pomiędzy fizyka statystyczna i termodynamika w zespole kanonicznym Zespół Wielki Kanoniczny Związek pomiędzy fizyka statystyczna i termodynamika w wielkim zespołem kanonicznym Zespoły fizyki Statystycznej

8 8 Klasyczny Gaz idealny Paradoks Gibbsa Kwantowe gazy doskonałe Fermiony Bozony Wyprowadzenie wzorów na statystykę Boltzmanna, Fermiego- Diraca i Bose-Einsteina Gazy doskonałe

9 9 Termodynamika fenomenologiczna – dział fizyki, który zajmuje się właściwościami cieplnymi układów makroskopowych, zaniedbując mikroskopową budowę ciał tworzących układ. Własności układu są opisywane przez dające się mierzyć parametry makroskopowe takie, jak ciśnienie, objętość, temperatura. Mechanika statystyczna – dział fizyki badający rozkład parametrów mikroskopowych (prędkość, energia kinetyczna), poszukujący średnich wartości tych parametrów w układach złożonych, oraz poszukujący związków między parametrami mikroskopowymi i makroskopowymi.

10 10

11 11 Termodynamika

12 12 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. Wiadomości wstępne Podstawowe pojęcia termodynamiki

13 13 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: 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.

14 14 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.

15 15 Układ termodynamiczny – wyodrębniony w jakiś sposób z otoczenia wycinek świata materialnego. Układem może być piłka, a otoczeniem powietrze i Ziemia. Przykład Wszystko poza układem termodynamicznym, co ma wpływ na zachowanie układu nazywamy otoczeniem. Granicę pomiędzy tymi dwoma stanami stanowi brzeg układu. Podczas, gdy w mechanice zajmujemy się wielkościami dynamicznymi, w termodynamice zajmujemy się porcjami energii.

16 16 Układ odosobniony (izolowany) – układ który nie wymienia z otoczeniem ani materii ani energii. Ścianki adiabatyczne – izolujące cieplnie układ od otoczenia.

17 17 Układ otwarty – układ który może wymieniać z otoczeniem zarówno energię (przewodnictwo cieplne, promieniowanie) jak i materię (np. przez parowanie). Przykład woda w otwartym naczyniu.

18 18 Zmiana układu termodynamicznego polega na zachodzeniu jakiegoś procesu przemiany. Jeśli chcemy opisać stan układu na każdym etapie przemiany, musimy być w stanie zdefiniować stan równowagi układu. Stanem równowagi termodynamicznej nazywamy stan układu, którego parametry nie zależą od czasu (stan stacjonarny), i w którym nie występują makroskopowe przepływy ciepła i materii. Procesem termodynamicznym (przemianą termodynamiczną) nazywamy przejście między dwoma stanami równowagi której zmienia się wartość choćby jednego z parametrów. Podstawowy postulat termodynamiki: Każdy układ izolowany osiąga stan równowagi, niezależnie od swego stanu początkowego.

19 19 Przykłady przejścia do stanu równowagi Nierównomierny rozkład materii

20 20 Nierównomierny rozkład temperatury

21 21 Stan układu termodynamicznego opisany jest przez wielkości (parametry) termodynamiczne. Te wielkości zwykle nazywamy własnościami układu. Wielkości, które są cechami układu jako całości nazywamy wielkościami makroskopowymi. Typowymi przykładami takich wielkości są temperatura, ciśnienie, objętość, gęstość, energia chemiczna, ilość substancji. Wielkości makroskopowych są bezpośrednio związanych z naszymi doznaniami zmysłowymi.

22 22 TEMPERATURA = “stan ciepłoty, gorąca” Wolno poruszające się atomy lub cząsteczki maja niską temperaturę. Szybko poruszające się atomy lub cząsteczki maja wysoką temperaturę. Wysoka TNiska T v

23 23 CIŚNIENIE =„siła działająca na powierzchnię zderzenie ciężar

24 24 GĘSTOŚĆ =„masa na jednostkę objętości” Duża gęstośćMała gęstość

25 25 … ………. ……………… × tuzin gross ILOŚĆ SUBSTANCJI = „ile tego jest” Liczba Avogadry

26 26 Ciało stałe Ciecz Gaz Plazma STANY SKUPIENIA

27 27 Stany skupienia materii ściśle zależą od wartości określonych współrzędnych termodynamicznych. Są nimi ciśnienie i temperatura. T p Punkt Potrójny Punkt Krytyczny TKTK TPTP pKpK pPpP Ciało stałe Ciecz Para Gaz Plazma

28 28 Możemy również przyjmować punkt widzenia mikroskopowy. Wielkości te, oraz matematyczne sformułowania na nich oparte, tworzą bazę mechaniki statystycznej. Wielkości mikroskopowe opisują atomy i cząsteczki tworzące układ, ich prędkości, energię, masy, momenty pędów itp. Wielkości mikroskopowe nie są bezpośrednio związane z naszymi postrzeganiami zmysłowymi.

29 29 Dla dowolnego układu wielkości makroskopowe i mikroskopowe muszą być ze sobą związane są, bowiem innym sposobem opisu tej samej rzeczywistości. Powinniśmy umieć wyrazić pierwsze z nich przez drugie. Przykład Ciśnienie traktowane makroskopowo jest mierzone efektywnie za pomocą manometru. Z punktu widzenia mikroskopowego ciśnienie wiąże się z przypadającą na jednostkę powierzchni średnią szybkości przekazywania pędu

30 30

31 31 Wielkości termodynamiczne dzielimy na intensywne i ekstensywne. Wielkości intensywne to takie, które nie zależą od masy(ilości materii) zawartej wewnątrz granic układu. Wielkości ekstensywne to takie, które są proporcjonalne do ilości materii w układzie. Przykładowo – objętość jest wielkością ekstensywną, a objętość właściwa (objętości określonej masy gazu (np. 1 g))– intensywną. Ogólnie biorąc parametry ekstensywne dzielone przez masę stają się intensywne. Temperatura, ciśnienie są parametrami intensywnymi, natomiast energia wewnętrzna, liczba moli oraz entropia są parametrami ekstensywnymi

32 32 Przykład Z dwóch identycznych układów tworzymy jeden układ, dwa razy większy. Ciśnienie i temperatura nie zmieniają się (parametry intensywne), a objętość, energia i liczba moli podwajają się (parametry ekstensywne).

33 33 Proces adiabatyczny przebiega bez przepływu ciepła. Proces izobaryczny przebiega pod stałym ciśnieniem, proces izochoryczny przebiega w stałej objętości, a proces izotermiczny przebiega w stałej temperaturze. Procesy termodynamiczne w których jeden z parametrów jest stały nazywamy procesami izoparametrycznymi Inne procesy izoparametryczne to proces politropowy (dla stałego ciepła właściwego) i proces izentalpowy (przy stałej entalpii).

34 34 W termodynamice rozważa się procesy odwracalne i nieodwracalne. Proces odwracalny jest to proces który może przebiegać w obydwie strony nieskończenie długo bez strat energii. 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.

35 35 Przykład Nieodwracalne rozprężanie gazu do próżni.

36 36 Zerowa zasada termodynamiki, która definiuje w sposób matematyczny pojęcie temperatury empirycznej, powstała w 1909 roku, czyli ponad 200 lat po wynalezieniu termometru. Jeżeli dwa ciała o różnych temperaturach zetkniemy ze sobą i odizolujemy od innych ciał, to po dostatecznie długim czasie ich temperatury wyrównają się. Powiemy wtedy, że te ciała są w równowadze termicznej ze sobą. Zerowa zasada termodynamiki: Jeśli układ A jest w równowadze termicznej z układem B, a układ B jest w równowadze termicznej z układem C, to układ A jest także w równowadze termicznej z układem C. Temperatura. Zerowa zasada termodynamiki.

37 37 Ciało T (termoskop) i ciało A są w stanie równowagi termicznej. Ciało T i ciało B również są w stanie równowagi termicznej przy tym samym wskazaniu termoskopu. Ciała A i B są w stanie równowagi termicznej. Wspólną właściwość układów w stanie równowagi termicznej nazywa się temperaturą.

38 38 Skale temperatur Używaną na co dzień skalą temperatur jest skala Celsjusza( 0 C). Absolutną termodynamiczną skalą odpowiadającą skali Celsjusza jest skala Kelvina(K). Inną skalą jest skala Farenheita( 0 F), dla której skalą absolutną jest skala Rankine’a( 0 R). Dla skali Kelvina i Rankine’a zero absolutne jest takie same; 0 F = /5 0 C 0 R = 0 F K = 0 C R = 9/5 K

39 39

40 40 1Węglowa reakcja termojądrowa 510 8 2Wnętrze Słońca10 7 3Mgławica świecąca10 4 4Topnienie wolframu3683 5Topnienie ołowiu Zamarzanie wody Skraplanie tlenu90.2 8Skraplanie wodoru20.3 9Skraplanie helu ( 4 He)4.2 10Skraplanie helu ( 3 He) w najniższym osiąganym ciśnieniu 0.3 Niektóre temperatury w stopniach Kelvina

41 41 Typy termometrów Termometr cieczowy - termometr oparty na rozszerzalności termicznej cieczy 1 – zbiornik cieczy, 2 – kapilara Wykorzystywany jest w zakresie od -39ºC do 300ºC. Dla niższych temperatur można stosować alkohol (do - 100ºC) albo pentan C 5 H 12 (do -190ºC) Termometr rtęciowy

42 42 Termometr gazowy – termometr oparty na termicznej rozszerzalności gazu Wyróżniamy termometry gazowe o stałej objętości i o stałym ciśnieniu. Gazem roboczym jest wodór lub hel. Zakres pracy tych termometrów Od -240 ºC do 1000 ºC Termometry gazowe o stałej objętości Termometry gazowe o stałym ciśnieniu

43 43 Termometr bimetaliczny – termometr oparty na rozszerzalności termicznej ciał stałych Termometr składa się z paska dwumetalicznego wykonanego z metali o różnej rozszerzalności temperaturowej, np. z cynku i żelaza.

44 44 Termometr oporowy – termometr oparty na zależności termicznej oporu elektrycznego. 1 -opornik z drutu platynowego Platynowy termometr oporowy może być stosowany w zakresie od -190ºC do 1000 ºC Termometry elektryczne Termopara – termometr oparty na pomiarze napięcia miedzy końcówkami termopary 1 -spoina odniesienia 2 – spoina pomiarowa


Pobierz ppt "Fizyka statystyczna Grzegorz Górski"

Podobne prezentacje


Reklamy Google