Termodynamika 1

IŚ / OŚ rok 1
Termodynamika 1
Termodynamika
Elementy
termodynamiki
Statystyczny opis materii:
1 mol substancji (56g Ŝelaza)
N A = 6.02 ⋅ 10 23 moleku ł
liczba Avogadra
Jak duŜa jest liczba Avogadra?
1) przykład Lorda Kelvina
2) atomy jak ziarna ryŜu
M. Mulak / IF PWr
1
IŚ / OŚ rok 1
Termodynamika 1
Dlaczego nie stosujemy mechaniki
klasycznej do opisu cząstek gazu w
naczyniu?
Termodynamika fenomenologiczna
1) liczba molekuł !
zmienne układu: p, V, T, m, N, U
r
r r r
r
d ri
mi 2 = Fi ( r1 , r2 ,..., rN ),
dt
N ≈ 10 23
2) warunki początkowe !?
Siła podejścia statystycznego:
stan równowagi układu nie zaleŜy od
jego stanu wyjściowego:
butla z gazem
rzucanie monety
M. Mulak / IF PWr
wielkości makroskopowe z obserwacji
układ izolowany,
równowaga termodynamiczna,
proces kwazistatyczny,
temperatura
zmienne ekstensywne np. N, m
zmienne intensywne np. p, T, n=N/V
praca
ciepło
energia wewnętrzna
2
IŚ / OŚ rok 1
Termodynamika 1
Pojęcie temperatury:
nasze zmysły nas mogą zwodzić
przykłady: temperatura wody; metal i
karton w lodówce
Skale temperatur w uŜyciu:
Celsius, Fahrenheit, Kelvin
Skala Kelvina
p=0 gdy T=-273.15oC
0K -273.15oC
Zerowa zasada termodynamiki: obiekty
w równowadze cieplnej posiadają taką
samą temperaturę.
Metody pomiaru temperatury:
zmiany w objętości substancji, oporze
elektrycznym, kolorze, ciśnieniu gazu
Ograniczenia: Hg (-39oC); alkohol; 85oC
termometr gazowy: pomiar uniwersalny,
niezaleŜny od substancji, gaz (doskonały)
p(T)
M. Mulak / IF PWr
Skala Fahrenheita (USA)
32oF 0oC
212oF 100oC
3
IŚ / OŚ rok 1
Termodynamika 1
Przykłady temperatur
wnętrze Słońca:
korona Słońca:
temp. top. miedzi:
ludzkie ciało
ciekły azot
ciekły hel
Większość cieczy: wzrost objętości ze wzrostem
temperatury; wyjątek: woda
107K
106K
103K
309K
89K (-184oC)
4K !
NajniŜsze temperatury
(0oC 4oC) gęstość rośnie gdy T rośnie:
staw zamarza od powierzchni, kluczowe
dla rozwoju Ŝycia.
ok. 10-6K
Fizyka klasyczna:
T=0 p=0 Ekin=0
(ruch molekuł zanika)
Fizyka kwantowa:
Molekuły w T=0 muszą mieć
pewną energię (pęd)
M. Mulak / IF PWr
Anomalne cieplne własności wody
Temperatura spada (do np. 6oC), woda
powierzchniowa staje się cięŜsza i tonie,
cieplejsza woda z dna przemieszcza się na
powierzchnię i schładza (wzbogacanie w tlen)
Temperatura poniŜej 4oC: gęstość wody na
powierzchni zmniejsza się! Ustanie procesu
mieszania i rozpoczęcie zamarzania wody na
powierzchni; woda w dolnych warstwach
utrzymuje temperaturę ok. 4oC
4
IŚ / OŚ rok 1
Termodynamika 1
Gaz doskonały
ZałoŜenia:
1. bez oddziaływań (zderzenia spręŜyste)
2. cząstki jako masy punktowe
Równanie stanu gazu doskonałego
na podstawie eksperymentów:
Równanie stanu gazu doskonałego
Na podstawie eksperymentów:
pV = nRT
R = 8.31[J / mol⋅ K]
stała gazowa
N
pV = nRT =
RT = Nk BT
NA
kB = 1.38⋅10−23 [J / K]
stała Boltzmanna
Warunki normalne
M. Mulak / IF PWr
5
IŚ / OŚ rok 1
Termodynamika 1
Ciepło (Q)
Mechaniczny ekwiwalent ciepła
(doświadczenie Joule’a 1850)
Transfer energii
Na podstawie eksperymentu
Historia:
„cieplik”
mechanika ciepło
eksperyment Joule’a: mechaniczny
równowaŜnik ciepła (1850) – prawo
zachowania energii.
mgh ~ ∆T
Współczynnik
proporcjonalności:
~ 4.19 J/goC
Jednostki:
1 cal = ilość ciepła potrzebna do ogrzania
1g wody o 1oC
1 cal = 4.19 J
1 Cal („Ŝywnościowa”) = 1 kcal
M. Mulak / IF PWr
6
IŚ / OŚ rok 1
Termodynamika 1
Pojemność cieplna
Pojemność cieplna (C)
δ Q = CdT
Ciepło właściwe (c)
δ Q = mcdT
Molowa pojemność cieplna (C’)
δ Q = n C ′dT
Woda ma znacznie wyŜsze ciepło właściwe od
szkła czy metalu. Dlatego zagotowanie wody
trwa „długo”, pomimo Ŝe naczynie osiąga
wysoką temperaturę dość szybko.
Sears and Zemansky, University Physics 11th Ed. Young & Freedman
M. Mulak / IF PWr
7
IŚ / OŚ rok 1
Termodynamika 1
Transfer ciepła
Promieniowanie cieplne
Pomiar temperatury
⇑
pomiar
promieniowania podczerwonego
z wnętrza ucha
Sears and Zemansky, University Physics 11th Ed. Young & Freedman
M. Mulak / IF PWr
8
IŚ / OŚ rok 1
Termodynamika 1
Przewodność cieplna
Konwekcja
„Parzące” łyŜeczki
do herbaty
Przepadek ekstremalny
– nowe technologie
Sears and Zemansky, University
Physics 11th Ed. Young &
Freedman
Sears and Zemansky, University
Physics 11th Ed. Young & Freedman
M. Mulak / IF PWr
9
IŚ / OŚ rok 1
Termodynamika 1
Ciepło topnienia (ciepło ukryte)
Ciepło parowania
Q = mLt
H2O
Gal
tem. top. 29.8oC
Sears and Zemansky, University
Physics 11th Ed. Young & Freedman
Sears and Zemansky, University Physics
11th Ed. Young & Freedman
M. Mulak / IF PWr
10