Wykład o Kelvinie i jego teoriach Literatura do wykładu Projekt przygotował Piotr Ćwiek Thomson William lord Kalvin THOMSON WILLIAM, lord Kelvin (1824–1907), bryt. fizyk i matematyk; 1846–99 prof. uniw. w Glasgow; od 1851 czł. Tow. Król. w Londynie, od 1890 AU; 1892 otrzymał tytuł lorda Kelvina; wybitny badacz przyrody XIX w.; szczególne znaczenie mają prace Th. dotyczące termodynamiki; 1848 oprac. skalę temperatur bezwzględnych, zw. skalą Kelvina, 1851 podał jedno ze sformułowań II zasady termodynamiki, wprowadził pojęcie energii wewn. układu termodynamicznego, sformułował zasadę rozpraszania energii; 1852 podał pierwsze teoret. informacje na temat możliwości użycia pompy ciepła do ogrzewania; 1856 odkrył zjawisko zw. potem zjawiskiem Th., a 1862, wraz z J.P. Joule'em, zjawisko Joule'a–Thomsona. Badania rozchodzenia się impulsów elektr. wzdłuż kabli doprowadziły Thomsona do opracowania teorii drgań elektr.; 1857 zaobserwował zmianę oporu elektr. pod wpływem pola magnet. (magnetooporowe zjawisko). Ponadto Thomson prowadził badania dotyczące teorii potencjałów, teorii przewodnictwa ciepła, teorii sprężystości, hydrodynamiki (prawo o zachowaniu cyrkulacji prędkości podczas ruchu cieczy idealnej — tzw. twierdzenie Thomsona). Skonstruował i udoskonalił wiele przyrządów: mostek elektr., elektrometr absolutny i in. KELWIN, K, jednostka temperatury, podstawowa w układzie SI; jest to 1/273,16 część temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody; nazwa kelwin pochodzi od tytułu: lord Kelvin, nadanego W. Thomsonowi, twórcy skali Kelvina Reinhard Kulessa

Wykład 1 1 Wiadomości wstępne 1.1 Natura termodynamiki Wiadomo, żę tak jak dawniej, tak również obecnie energia napędza społeczność ludzką. Wszystko co jest dostępne ludzkości, dobra, usługi, produkcja materialna jest w prostej zależności do ilości używanej na głowę energii. Termodynamika zajmuje się badaniem energii i jej przemian. Mogłoby to oznaczać, że termodynamika jest nauką najsilniej związaną z potrzebami człowieka Wiemy jak wiele jest różnych rodzajów energii. Wszystkie one mogą stać się przedmiotem rozważań termodynamicznych. Reinhard Kulessa

Zobaczymy później, że 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: energia tarcia, elektryczna, magnetyczna, jądrowa, chemiczna, zawarta w kwancie świetlnym. Ogólnie rzecz biorąc, termodynamika zajmuje się głównie dwoma rodzajami energii, ciepłem i pracą. Na początku wykładu omówimy krótko szeroki zakres zagadnień termodynamicznych. Reinhard Kulessa

1.2 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. Reinhard Kulessa

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. 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. Reinhard Kulessa

a sama butla i to co na zewnątrz stanowi otoczenie. 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. Reinhard Kulessa

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. Reinhard Kulessa

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

… ………. ………………... 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 Reinhard Kulessa

STANY SKUPIENIA Ciało stałe Ciecz Gaz Plazma Reinhard Kulessa

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 Reinhard Kulessa

Aby to móc zrobić musimy wprowadzić pojęcie równowagi układu. 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. Reinhard Kulessa

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. Reinhard Kulessa

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. Reinhard Kulessa

1.3 Temperatura, ciepło i zerowa zasada termodynamiki Zwykle przyjmuje się, że rozumiemy pojęcie ciepła i temperatury. Termodynamika zajmuje się badaniami mającymi na celu precyzyjne pojmowanie tych pojęć. Zwykle intuicyjne pojmowanie temperatury kiedy czegoś dotykamy wiąże się z transportem energii lub wymianą ciepła. Można więc wywnioskować, że pomiędzy dwoma ciałami o tej samej temperaturze nie ma wymiany ciepła. Równość temperatury nie pozwala nam stworzyć bezwzględnej skali temperatur. Pojęcie równości temperatur ujmuje tzw. zerowa zasada termodynamiki. Mówi ona, że: Reinhard Kulessa

Jeśli dwa ciała są w równowadze termicznej z ciałem trzecim, to są również w równowadze wzajemnej. Warunkiem pełnej równowagi tych ciał jest również równość ich ciśnień, brak zachodzenia reakcji chemicznych przy doprowadzeniu tych ciał do kontaktu. Ciepło jest strumieniem energii wynikającym z różnicy temperatur Na następnej stronie pokazany jest przykład pojawienia się przepływu ciepła. Reinhard Kulessa

T1 temperatura w pręcie T2 T1 > T2 T1 T2 ciepło Kule i pręt miedziany Reinhard Kulessa

Używaną na co dzień skalą temperatur jest skala Celsjusza(0C). 1.4 Skale temperatur Używaną na co dzień skalą temperatur jest skala Celsjusza(0C). Absolutną termodynamiczną skalą odpowiadającą skali Celsjusza jest skala Kelvina(K). Inną skalą jest skala Farenheita( 0F), dla której skalą absolutną jest skala Rankine’a( 0R). Dla skali Kelvina i Rankine’a 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 następnej stronie przedstawione są niektóre punkty termometryczzne. Reinhard Kulessa

Ciśnienie normalne p0 = 1.0232 105 N/m2 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 krzepnięcia cynku 419.58 10 Punkt krzepnięcia srebra 961.93 11 Punkt krzepnięcia złota 1064.43 Reinhard Kulessa

rozszerzalność cieplna – temperatura 1.5 Pojęcie stanu układu Wiemy z obserwacji, że pewne własności materii są funkcjonalnie związane ze sobą: rozszerzalność cieplna – temperatura ciśnienie – objętość i temperatura Stwierdziliśmy, że stan układu możemy określić gdy znajduje się on w warunkach równowagi. Zachodzi pytanie ilu współrzędnych potrzebujemy aby tego dokonać. W mechanice dla opisania pozycji na płaszczyźnie wystarczą dwie współrzędne w układzie kartezjańskim , a w przestrzeni trzy. Stan lub pozycja cząstki jest w pełni oddana przez współrzędne układu kartezjańskiego. Jeśli jednak chcemy opisać stan dynamiczny układu, musimy podać współrzędne prędkości. Reinhard Kulessa

W termodynamice występować będą pewne pierwotne własności konieczne do określenia stanu układu, podczas gdy pozostałe będą funkcjonalnie od nich zależne. Liczbę pierwotnych parametrów koniecznych do określenia stanu układu możemy uzyskać tylko z doświadczenia. Dla gazu idealnego wystarczą do określenia jego stanu wystarczą dwie z pośród trzech wielkości, ciśnienia, temperatury i objętości. Reinhard Kulessa