Wykład VIII Termodynamika

Termodynamika zajmuje się głównie dwoma rodzajami energii: ciepłem i pracą. 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 opisana 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.

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. Sprężone powietrze Brzeg układu Otoczenie Granice naszego układu mogą być rzeczywiste lub urojone.

TEMPERATURA = “stan ciepłoty, gorąca” 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. Rozważmy krótko niektóre z podanych „współrzędnych” TEMPERATURA = “stan ciepłoty, gorąca” Wolno poruszające się atomy lub cząsteczki maja niską temperaturę. Szybko poruszające się atomy lub cząsteczki maja wysoką temperaturę.

CIŚNIENIE =„siła działająca na powierzchnię Wysoka T Niska T v CIŚNIENIE =„siła działająca na powierzchnię zderzenie ciężar

… ………. ………………... GĘSTOŚĆ =„masa na jednostkę objętości” Duża gęstość Mała gęstość ILOŚĆ SUBSTANCJI = „ile tego jest” 1 2 3 12 144 … ………. ………………... 6.022 × 1023 Liczba Avogadry tuzin gross

STANY SKUPIENIA Ciało stałe Ciecz Gaz Plazma

Stany skupienia materii ściśle zależą od wartości określonych współrzędnych termodynamicznych. Są nimi ciśnienie i temperatura. p Ciało stałe pK Ciecz Plazma Punkt Krytyczny pP Punkt Potrójny Para Gaz T TP TK

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.

Interesują nas przemiany będące łańcuchem stanów równowagi Interesują nas przemiany będące 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.

Proces nieodwracalny, chyba Że dostarczy się energii X Dobrym przykładem na proces odwracalny lub nieodwracalny jest wymiana dewiz. Jest to proces odwracalny zakładając stały kurs i brak opłaty, a nieodwracalny w przypadku pobierania opłaty za wymianę.

Ciepło i kontakt termiczny Dwa układy są w kontakcie termicznym, jeśli mogą wymieniać energię bez wykonywania makroskopowej pracy Ta forma wymiany energii nazywa się ciepłem.

0-wa zasada termodynamiki B A A B A C C B C Trzy różne kawałki materii. Każdy ma przewodzące brzegi. Jeśli nie ma przepływu ciepła między A i B oraz B i C, to nie będzie też między A i C. TA=TC Dwa układy, które pozostają w równowadze termicznej, mają tę samą temperaturę. Temperatura jest miarą zdolności do transportu ciepła. Maxwell 1872 Fowler i Guggenheim (1939): „Istnieje użyteczna wielość fizyczna zwana temperaturą”

T1 temperatura w pręcie T2 T1 > T2 T1 T2 ciepło Kule i pręt miedziany Ciepło jest strumieniem energii wynikającym z różnicy temperatur

Ciepło właściwe Ilość ciepła zaabsorbowanego przez układ (DQ), niezbędna do zmiany temperatury układu jest proporcjonalna do tej zmiany temperatury (DT) Współczynnik proporcjonalnosci c jest zwany ciepłem właściwym układu

Ciepło przemiany Q = L  m W przypadku przejść fazowych pierwszego rodzaju ilość zaabsorbowanego ciepła jest proporcjonalna do ilości substancji która uległa przemianie Q = L  m Współczynnik proporcjonalności nazywa się ciepłem przemiany.

Ciepło jest strumieniem energii wynikającym z różnicy temperatur 1. Przewodnictwo cieple : A dx

Konwekcja ciepła 2. Konwekcja naturalna: wynika z różnicy w gęstości wymuszona: substancja jest zmuszana do ruchu ( wiatrak, pompa) szybkość przepływu ciepła jest proporcjonalna do szybkości przepływu substancji DQ = cTdm

Promieniowanie 3. Promieniowanie B Energia jest przenoszona jako fala elektromagnetyczna. Prawo Stefana - Boltzmanna  = 6  10-8 W/m2K A – powierzchnia e – wsp. emisyjności T – temperatura powierzchni

Skale temperatur Używaną na co dzień skalą temperatur jest skala Celsjusza(0C). Absolutną termodynamiczną skalą odpowiadającą skali Celsjusza jest skala Kelvina(K). Dla skali Kelvina zero absolutne jest równe -273.15 0C. K = 0C + 273.15

Gaz doskonały PV = nRT Definicja makroskopowa : Gaz doskonały to taki, który spełnia równanie stanu PV = nRT P - ciśnienie n – ilość gazu (w molach) V - objętość R – universalna stała gazowa T - temperatura Definicja mikroskopowa : Poza zderzeniami elastycznymi cząstki gazu doskonałego nie oddziaływają na siebie – zasięg oddziaływania jest bardzo krótki.

Proces termodynamiczny Makroskopowo, stan układu jest opisywany jednoznacznie przez tzw. parametry stanu P V T Proces termodynamiczny jest sekwencją stanów układu. Podczas procesu termodynamicznego parametry stanu są funkcją czasu.

Praca makroskopowa Kiedy objętość układu zmienia się to układ wykonuje pracę ( makroskopową). postać całkowa dx Praca zależy od rodzaju procesu termodynamicznego!

I zasada termodynamiki V P I zasada termodynamiki a Dla każdego procesu termodynamicznego, różnica miedzy ciepłem dostarczonym do układu a pracą wykonaną przez układ zależy tylko od początkowego i końcowego stanu układu. b Istnieje funkcja stanu, zwana energią wewnętrzną, taka, że   DU = DQ - DW gdzie DQ jest ciepłem dostarczonym do układu a DW jest pracą wykonaną przez układ. Uwaga: W skali mikroskopowej, energia wewnętrzna układu jest całkowitą energią mechaniczną układu.

Energia wewnętrzna gazu doskonałego W skład energii wewnętrznej gazu doskonałego wchodzą: energia kinetyczna ruchu postępowego i obrotowego oraz energia ruchu drgającego cząstek znajdujących się w układzie. Zgodnie z kinetyczną teorią gazów energia wewnętrzna gazu doskonałego zależy tylko od temperatury gazu U = nCVT

Definicja entropii makroskopowa: mikroskopowa: Zmiana entropii między dwoma stanami równowagowymi jest określona przez ilość ciepła, DQ, przekazywaną do układu podczas kwazistatycznego procesu przejścia miedzy tymi stanami, dzieloną przez temperaturę bezwzględną układu mikroskopowa: Jeśli liczba możliwych konfiguracji dla rozważanego stanu układu jest równa W (suma statystyczna), entropia S układu w tym stanie jest dana wzorem S  kB ln W gdzie kB jest stałą Boltzmanna.

II zasada termodynamiki Dla każdego procesu termodynamicznego w którym następuje przejście od jednego stanu równowagowego do drugiego, całkowita entropia ukladu i jego otoczenia nie może maleć. Procesy odwracalne Procesy nieodwracalne

Konsekwencje II zasady termodynamiki Niemożliwe jest zbudowanie maszyny cieplnej, która podczas jednego cyklu wykonywałaby pracę tylko kosztem absorpcji energii cieplnej z rezerwuaru ciepła. silnik W Qh Th Qc Tc

konsekwencje II zasady termodynamiki Niemożliwy jest transport ciepła od ciała o niższej temperaturze do ciała o wyższej temperaturze bez ingerencji z zewnątrz. T1 T2 dQ

Procesy odwracalne i nieodwracalne Jeśli podczas procesu termodynamicznego entropia ( Wszechświata ) się nie zmienia, to jest on odwracalny Jeśli podczas procesu termodynamicznego entropia ( Wszechświata ) się zmienia (rośnie), to jest on nieodwracalny.