Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia) Nazwa szkoły: Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych ID grupy: 97/55_mf_g1 Kompetencja: Matematyczno-fizyczna Temat projektowy: Fizyka opadów atmosferycznych Semestr/rok szkolny: Semestr IV, rok szkolny 2011/2012

Spis treści : Termodynamika Podstawowe pojęcia termodynamiki I zasada termodynamiki Rodzaje termodynamiki Przemiany termodynamiczne Zasady termodynamiki Opady atmosferyczne Podziały opadów Deszcz Śnieg Grad Doświadczenie Bibliografia

Termodynamika

Termodynamika - nauka o energii, 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 i energią elektryczną.

Podstawowe pojęcia termodynamiki Układ termodynamiczny: wyodrębniony w jakiś sposob wycinek świata fizycznego. Otoczenie: reszta ciał, ktore nie należą do układu. Układ izolowany (odosobniony): taki układ, ktory nie wymienia z otoczeniem ani materii, ani energii. Obydwie wielkości są w tym układzie zachowane. Ścianki adiabatyczne izolują cieplnie układ od otoczenia (rownież nie ma wymiany materii) np.: naczynie Dewara. Układ otwarty: możliwa wymiana i energii i materii z otoczeniem. Żadna z tych wielkości nie jest w tym układzie zachowana. Ścianki diatermiczne (np. kubek metalowy) pozwalają na wymianę ciepła z otoczeniem. Naczynie nie jest zamknięte, więc woda parując wymienia cząsteczki (H2O) z otoczeniem.

każdy układ + otoczenie = system izolowany Układ zamknięty: możliwa jedynie wymiana energii z otoczeniem. Materia jest w tym układzie zachowana, energia nie. Ścianki diatermiczne - jest wymiana ciepła z otoczeniem. Nie ma wymiany materii. Warto zapamiętać, że: każdy układ + otoczenie = system izolowany

I zasada termodynamiki ∆U = Q + W ∆U - przyrost energii wewnętrznej układu Q - ciepło dostarczone do układu W - praca wykonana nad układem

Rodzaje termodynamiki Termodynamika klasyczna Termodynamika statystyczna Termodynamika techniczna Termodynamika chemiczna

Energia wewnętrzna gazu doskonałego Energia nie oddziałujących ze sobą cząsteczek gazu : U = cv n T U - energia wewnętrzna R - stała gazowa n – liczba moli gazu T – temperatura bezwzględna (w kelwinach)

Termodynamika klasyczna Nazywana też fenomenologiczną, zajmuje się makroskopowymi, równowagowymi zjawiskami termodynamicznymi w oparciu o pewne aksjomaty poparte doświadczeniami. Ze względu na fakt, że nauka ta zajmuje się układami w stanie równowagi, w związku z czym nie zajmuje się zmiennością w czasie, niektórzy uważają, że powinna nosić nazwę termostatyki (określenie to nie przyjęło się, pomimo że jego wprowadzenie postulowano już w latach 70). Zajmuje się badaniem wcześniej wspomnianych zjawisk, tylko z punktu widzenia energetycznych efektów makroskopowych, nie wnikając w naturę tych przemian na poziomie pojedynczych cząsteczek.

Energia ogrzewania (ochładzania) ciała – bez przemian fazowych (czyli bez topnienia, krzepnięcia, parowania, krystalizacji itp.) Q = m cwł ∆t Q = m cwł ∆T Q = n c ∆t Q = n c ∆T Q – wymieniane ciepło m – masa t – temperatura w °C T – temperatura bezwzględna (w kelwinach) c - ciepło molowe w układzie SI w J/molK

Termodynamika statystyczna Mechanika statystyczna (lub fizyka statystyczna) to gałąź fizyki, zajmująca się układami wielu oddziałujących ciał. Specyfiką tej teorii jest jej metoda. Poszczególne ciała są bowiem opisane przez zmienne losowe. Obliczenia prowadzone w ramach mechaniki statystycznej dotyczą średnich z tych zmiennych z wykorzystaniem metod statystycznych. Fizyczną podstawą mechaniki statystycznej jest termodynamika fenomenologiczna.

Z mechaniki statystycznej można wydzielić teorię stanów równowagi termodynamicznej. Ta teoria jest daleko bardziej rozwinięta, niż teoria nierównowagowa. Powszechnie używa się tu tzw. formalizmu sumy statystycznej. Sama suma statystyczna nie ma znaczenia fizycznego, natomiast jest wielkością użyteczną do obliczania wielkości fizycznych. Recepta na obliczenie sumy statystycznej dla danego układu jest na ogół uważana za równoznaczną z określeniem jego własności równowagowych.

Równowagowa mechanika statystyczna korzysta z kluczowego założenia, że prawdopodobieństwo pozostawania przez układ w danym stanie zależy tylko od energii tego stanu. Stan równowagi jest więc stanem, w którym informacja o przeszłości układu nie jest istotna

Energia potrzebna do zajścia przemian fazowych Q = m·Cprzemiany Przykładowo: Q = m·Rp Q = m·L Cprzemiany– ciepło danej przemiany fazowej np. L - ciepło topnienia Rp - ciepło parowania

Termodynamika techniczna Termodynamika techniczna służy analizie wymiany ciepła (przewodzenie, konwekcja, przejmowanie, przenikanie) oraz zmianie energii cieplnej w inne rodzaje energii.

Przemiany termodynamiczne

Przemiana izobaryczna Przemianę gazową nazywamy izobaryczną jeżeli ciśnienie pozostaje stałe. W przemianie izobarycznej zmieniają się temperatura i objętość gazu, ale tak, że stosunek objętości do temperatury pozostaje stały. Prawo przemiany izobarycznej mówi, iż w przemianie tej objętość gazu jest wprost proporcjonalna do jego temperatury.

zastosowanie Przemiana izobaryczna często pojawia się w teorii maszyn cieplnych oraz urządzeń energetycznych. Jest jedną z przemian tworzących obiegi porównawcze siłowni parowej (obieg Clausiusa-Rankine'a), turbiny gazowej (obieg Braytona-Joule'a), chłodziarki gazowej (obieg Joule'a) i parowej (obieg Lindego), silnika wysokoprężnego (obieg Seiligera-Sabathé). Przemiana izobaryczna jest przemianą porównawczą przedstawiającą proces wytwarzania i przegrzewania pary wodnej w kotłach parowych oraz jej skraplania w skraplaczach współczesnych elektrowni parowych. W urządzeniach tych ma miejsce konwersja energii o mocy na poziomie kilkudziesięciu tysięcy megawatów (tylko w Polsce), co świadczy o wysokim znaczeniu przemiany izobarycznej w technice współczesnego świata.

Przemiana izotermiczna Przemianę gazową nazywamy izotermiczną jeżeli temperatura pozostaje stała. Prawo przemiany izotermicznej mówi, iż w przemianie tej ciśnienie gazu jest odwrotnie proporcjonalne do objętości.

Wykres przemiany izotermicznej (zależność ciśnienia od objętości): 1. Izoterma asymptotycznie dąży do osi. 2. Nie można osiągnąć zerowego ciśnienia i objętości.

PRZEMIANA Izochoryczna Przemianę gazową nazywamy izochoryczną jeżeli objętość pozostaje stała. W przemianie tej objętość pozostaje stała, zmieniają się temperatura i ciśnienie gazu, ale tak, iż stosunek ciśnienia do temperatury pozostaje stały. Prawo przemiany izochorycznej mówi, iż w przemianie tej ciśnienie gazu jest wprost proporcjonalne do jego temperatury.

zastosowanie Proces izochoryczny można praktycznie zrealizować podczas ogrzewania lub oziębiania gazu w grubościennym zbiorniku o stałej objętości.

PRZEMIANA ADIABATYCZNA Przemianę gazowa nazywamy adiabatyczną jeżeli zachodzi bez wymiany ciepła z otoczeniem.

W związku z tym iż adiabata jest bardziej stroma niż izoterma (adiabatyczne zmiany ciśnienia są większe niż izotermiczne) przy sprężaniu adiabatycznym gaz, nie mogąc wymienić ciepła z otoczeniem, ogrzewa się co powoduje dodatkowy wzrost ciśnienia. Oziębienie się gazu przy adiabatycznym rozprężaniu wywołuje zmniejszanie ciśnienia. W ten sposób adiabatyczna zmiana ciśnienia występuje na skutek: zmiany objętości i zmiany temperatury. Natomiast izotermiczna zmiana ciśnienia jedynie na skutek zmiany objętości.

Termodynamika chemiczna Termodynamika chemiczna – dział chemii fizycznej, stosujący zasady termodynamiki do badań reakcji chemicznych i procesów fizykochemicznych, wykorzystujący fenomenologiczne pojęcia potencjału chemicznego i aktywności składników układu w celu określania kierunku przemian, zmierzających do stanu termodynamicznej równowagi, oraz energetycznych efektów tych przemian – ilości energii, wymienianej między badanym układem i jego otoczeniem (ciepło i praca). Termodynamika chemiczna jest teoretyczną podstawą technologii i inżynierii chemicznej, dotyczy też tzw. procesów nieodwracalnych, przebiegających w układach otwartych termodynamicznie, w skali molekularnej (np. energetyka procesów życiowych) lub w skali kosmicznej (np. struktury dyssypatywne we Wszechświecie).

Zasady termodynamiki Zerowa zasada termodynamiki = prawo równocenności stanów układów termodynamicznych. Pierwsza zasada termodynamiki = prawo zachowania energii Druga zasada termodynamiki = prawo stałego wzrostu entropii Trzecia zasada termodynamiki = prawo dążenia entropii do 0 ze spadkiem temperatury. Czwarta zasada termodynamiki = symetria macierzy współczynników w twierdzeniu Onsagera. Fizycznie rzecz biorąc, związana z zasadą wzajemności.

OPADY ATMOSFERYCZNE

Opad atmosferyczny Jest to ogół ciekłych lub stałych produktów kondensacji pary wodnej spadających z chmur na powierzchnię Ziemi, unoszących się w powietrzu oraz osiadających na powierzchni Ziemi i przedmiotach. Dzieli się je na opady pionowe i poziome (osady atmosferyczne). Do opadów pionowych zalicza się: deszcz, mżawkę, śnieg, krupy oraz grad. Opad, który nie dociera do powierzchni Ziemi, nazywa się virgą. Opady poziome (osady atmosferyczne) dzieli się na ciekłe i stałe. Osady ciekłe to np. rosa, a osady stałe to np. gołoledź, szadź, szron czy zamróz.

Pomiar wielkości opadów Do pomiaru wielkości opadów stosuje się deszczomierz (pluwiometr). Wielkość opadów podaje się w milimetrach słupa wody (mm H2O) lub litrach na metr kwadratowy (l/m2) powierzchni (jednostki te są sobie równe). W przypadku śniegu odpowiada to wodzie powstałej po jego stopieniu.

Podziały opadów

Ze względu na przyczynę Opady atmosferyczne mogą być konsekwencją rozwoju chmur kłębiastych i warstwowych piętra niskiego lub średniego. Ze względu na przyczyny rozróżnia się: opad orograficzny opad konwekcyjny opad frontalny

Ze względu na czas trwania Ze względu na czas trwania rozróżnia się: opady ciągłe – trwają nieprzerwanie przynajmniej przez godzinę poprzedzającą termin obserwacji; padają z chmur stratocumulus, altostratus, nimbostratus pokrywających całe niebo, opady przelotne – charakteryzują się nagłym wystąpieniem i nagłym zanikiem, trwają krótko, a w okresach pomiędzy ich występowaniem pojawia się całkowicie bezchmurne niebo; padają z chmur cumulus i cumulonimbus, opady z przerwami – gdy niebo pozostaje całkowicie lub prawie całkowicie zachmurzone nawet wtedy, kiedy deszcz nie pada; padają z chmur stratocumulus i altostratus.

Opady atmosferyczne w Polsce

Opady atmosferyczne na świecie

Deszcz

Powstawanie deszczu Deszcz powstaje, kiedy powiększające się kropelki wody stają się za ciężkie, żeby utrzymać się w powietrzu (w chmurze) i w rezultacie spadają na ziemię w postaci deszczu. Deszcz może powstać także z kryształków lodu tworzących płatki śniegu, które spadając przekraczają poziom 0 st. C i przedostając się w powietrze ciepłe topnieją - spadają jako kropelki wody. Temperatura w całym pionowym przekroju jest dodatnia - kryształki lodu całkowicie topnieją i spadają w postaci deszczu.

Marznący deszcz Marznący deszcz najczęściej występuje w wąskim pasie po chłodnej stronie frontu ciepłego. Kiedy spadający śnieg napotka warstwę ciepłego powietrza na tyle głęboką, że śnieg całkowicie stopnieje. Dalej spadające krople wody napotykają warstwę zimnego powietrza tuż przy powierzchni ziemi, co powoduje że zostają przechłodzone, ale jeszcze nie zamarzają - dopiero w zetknięciu z wychłodzoną powierzchnią (drogi, linie energetyczne) te przechłodzone kropelki wody zamieniają się w lód - powstaje gołoledź.

Śnieg z deszczem     Daleko przed przejściem linii frontu ciepłego temperatura warstwy powietrza przy powierzchni ziemi spada, a to powoduje, że zamarzający deszcz ostatecznie zamienia się w śnieg z deszczem lub śnieg. Taki typ opadu występuje częściej niż marznący deszcz i definiuje się go jako opad kropli wody, z tym że część kropli jest zamarznięta. Prognozowanie tego typu opadu jest trudniejsze od prognozowania opadu marznącego deszczu, gdyż śnieg z deszczem występuje w bardzo specyficznych warunkach atmosferycznych.

Śnieg

Śnieg Śnieg to opad atmosferyczny w postaci kryształków lodu o kształtach głównie sześcioramiennych gwiazdek, łączących się w płatki śniegu. Po opadnięciu na ziemię tworzy porowatą pokrywę śnieżną o niewielkiej gęstości także zwaną śniegiem. Śnieg powstaje, gdy w chmurach para wodna krystalizuje, tworząc kryształy lodu. Płatek śniegu to struktura kryształów śniegu, mogąca mieć do kilku centymetrów. Czasem określa się tak samo również pojedyncze kryształki.

Śnieg    Daleko przed przejściem linii frontu ciepłego temperatura warstwy powietrza przy powierzchni ziemi spada, a to powoduje, że śnieg z deszczem może zamienić się w śnieg. Kryształki lodu spadając z dużych wysokości w kierunku ziemi zlepiają się ze sobą i tworzą płatki śniegu. Jeżeli temperatura przyziemnej warstwy powietrza jest niższa od 0 st. C, płatki śniegu nie topnieją na swojej drodze ku ziemi i ostatecznie spadają jako śnieg. Czasami można zaobserwować sytuację, kiedy temperatura powietrza jest wyższa od 0 st. C, a mimo to pada śnieg. Dzieje się tak, gdy przy powierzchni ziemi powstaje na tyle płytka warstwa ciepłego powietrza, że płatki śniegu nie zdążą w niej stopnieć.

Proces powstawania śniegu Śnieg to zlepki kryształków lodu powstające w wyniku bezpośredniej zmiany pary wodnej zawartej w powietrzu w lód. Zachodzi tu więc zjawisko resublimacji. Kryształ lodu dzięki tak zwanych wiązaniach wodorowych ma strukturę heksagonalną. Jego komórka elementarna (najmniejszy fragment powtarzający się w sieci krystalicznej) ma kształt graniastosłupa o podstawie sześciokąta. Stąd kryształy lodu mają sześciokrotną oś symetrii co przesądza o kształcie płatków śniegu.

Większość kryształków śniegu jest płaska i ma po sześć, w przybliżeniu identycznych, ramion. W zależności od temperatury, wilgotności i ciśnienia powietrza, powstają jednak również inne formy, takie jak kolumny, igły, płytki i grudki. Struktura ich wynika z procesu powstawania, który zaczyna się od kondensacji lodu na cząstce pyłu. Początkowo powstaje sześciokątny płaski kryształ o wielkości ułamka milimetra. W temperaturach między -1°C a -3°C oraz między -10°C a - 20°C warunki bardziej sprzyjają osadzaniu się lodu na krawędziach i na krysztale wyrasta sześć ramion. W temperaturach między -5°C a -10°C oraz poniżej -20°C bardziej sprzyjają osadzaniu się lodu na powierzchniach, a wtedy kryształ rośnie w pionie i przyjmuje kształt igły. W przypadkowych miejscach igły rozpoczyna się krystalizacja nowej igły, tworzącej z wyjściową kąt 60°. Pozostałe kształty powstają, gdy w czasie wzrostu kryształu warunki zmienią się w którąś stronę.

Kryształki śniegu są prawie idealnie symetryczne, choć większość ma łatwe do zauważenia nieregularności. Na zdjęciach częściej przedstawia się te najbardziej symetryczne, ze względu na ich urodę. Przyczyna, dla których sześć niezależnie rosnących ramion kryształu przyjmuje identyczny kształt, a jednocześnie żadne dwa kryształki nie są identyczne, nie jest jeszcze w pełni zrozumiana. Badania pokazują, że proces rośnięcia jest bardzo wrażliwy na niewielkie zmiany temperatury i wilgotności. Każdy kryształek poruszając się wewnątrz chmury przechodzi przez unikalne zmiany tych czynników, dlatego kształt każdego jest inny. Jednocześnie sześć ramion kryształu podróżuje razem, więc natrafia na identyczne warunki i rośnie identycznie.

Istnieje przekonanie, że nie istnieją dwa identyczne płatki śniegu Istnieje przekonanie, że nie istnieją dwa identyczne płatki śniegu. Faktycznie w przypadku każdego makroskopowego obiektu jest niesłychanie mało prawdopodobne żeby istniały we Wszechświecie jego dwie kopie identyczne na poziomie molekularnym. W praktyce łatwość zauważania nawet niewielkich różnic w symetrycznej strukturze kryształków śniegu sprawia, że jest mało prawdopodobne znalezienie dwóch kryształków, dla których różnice nie byłyby widoczne gołym okiem.

Grad

Grad Grad to opad atmosferyczny w postaci bryłek lodu (nazywanych gradzinami lub gradowinami) o średnicy od 5 mm do 50 mm. Opad gradu następuje zwykle w ciepłej porze roku z mocno rozbudowanych chmur typu cumulonimbus i bywa połączony z silnym opadem deszczu. Obfity grad ze szczególnie dużymi gradowinami, tzw. gradobicie, może spowodować znaczące straty, w szczególności w rolnictwie i może trwać nawet kilka godzin.

Doświadczenie

Wyznaczanie ciepła topnienia lodu 1. Przyrządy : waga laboratoryjna lód woda kalorymetr termometr

2. Część teoretyczna : ciepło pobrane przez lód podczas topnienia ciepło pobrane przez wodę powstałą z lodu wartość ciepła oddanego przez wodę w kalorymetrze wartość ciepła oddanego przez kalorymetr bilans energii przedstawia się następująco po wykonaniu przekształceń otrzymamy wzór końcowy

  3. Przebieg doświadczenia: wyznaczamy masę kalorymetru( ), najlepiej użyć do tego celu wagi laboratoryjnej do kalorymetru nalewamy wody i całość ważymy( ). Obliczamy masę wody ( ) mierzymy temperaturę wody w kalorymetrze ( ) wrzucamy do wody przygotowany lód. Przed wrzuceniem należy go potłuc na drobne kawałki '' osuszyć '' bibułą zamykamy kalorymetr pokrywką i mieszamy wodę z lodem mieszadełkiem. Obserwujemy równocześnie wskazania termometru. Należy zaobserwować chwilę, kiedy temperatura będzie najniższa. Oznacza to że koniec procesu topnienia lodu. Tę temperaturę nazwiemy temperaturą końcową i zapiszemy jej wartość jako po raz trzeci ważymy kalorymetr ( ). Obliczmy masę lodu ( )

4. Tabela wyników pomiarów i obliczenia: Masa kalorymetru (kg) Masa wody (kg) Masa kalorymetru i wody (kg) Masa kalorymetru, wody i lodu (kg ) Masa lodu (kg) Temperatura wody (K ) Temperatura wody z lodem (K) 0,0747 0,2323 0,307 0,328 0,021 26,5 17 399368,33

5. Obliczenia niepewności pomiarowej

6. Wniosek z doświadczenia: Ciepło topnienia lodu ma stałą wartość, równą 335000

bibliografia Termodynamika Autor Kazimierz Gumiński Termodynamika Autor Jan Szargut Opady atmosferyczne Autor Janusz Paszyński http://prosteszablonyewy017.blox.pl/2008/03/Proces-powstawania- sniegu.html http://www.cumulus.nazwa.pl/teoria/laboratorium/l_zimcykl.htm http://www.fizyka.net.pl/index.html?menu_file=ciekawostki%2Fm_ciek awostki.html&former_url=http%3A%2F%2Fwww.fizyka.net.pl%2Fcieka wostki%2Fciekawostki_wn2.html http://www.if.pwr.wroc.pl/~wsalejda/w2t.pdf http://www.fizyka.osw.pl/Portals/physicseducation/31.pdf

Dziękujemy 