Elementy termodynamiki II

IŚ /OŚ rok 1
Termodynamika 2
Praca
termodynamiczna
Elementy
termodynamiki
Sears and Zemansky, University
Physics 11th Ed. Young & Freedman
II
Praca termodynamiczna zaleŜy od
przebiegu procesu.
M. Mulak / IF PWr
1
IŚ /OŚ rok 1
Termodynamika 2
Ciepło i praca zaleŜą od przebiegu
procesu
Gaz rozszerza się
pobierając ciepło
Gaz rozszerza się nie
pobierając ciepła
(izolacja termiczna)
Energia wewnętrzna układu
energia układu w spoczynku: (m.in.
cieplna, chemiczna, spręŜystości,
jądrowa)
Energia wewnętrzna układu nie zaleŜy od
przebiegu procesu (funkcja stanu)
∆U = Uk −U p
Q≠0
Q=0
W ≠0
W =0
identyczne warunki początkowe i końcowe!
M. Mulak / IF PWr
Sears and Zemansky, University Physics
11th Ed. Young & Freedman
2
IŚ /OŚ rok 1
Termodynamika 2
I zasada termodynamiki
Energia wewnętrzna: związana z
chaotycznym, nieuporządkowanym
ruchem molekuł.
Przykład:
szklanka wody w temperaturze
pokojowej w skali mikroskopowej.
∆U = ∆Q − ∆W
Zmiana energii wewnętrznej układu
ciepło dostarczone do układu praca wykonana przez układ nad
otoczeniem
=
1. Zachowanie energii
2. Brak róŜnicy pomiędzy Q i W
( p0 ,V0 ) → ( pk ,Vk )
δQ > 0
δW > 0
M. Mulak / IF PWr
ciepło do układu
praca wykonana przez układ
3
IŚ /OŚ rok 1
Termodynamika 2
I zasada termodynamiki:
przykład
Proces adiabatyczny Q=0
∆U = ∆Q − ∆W
∆W = −∆U
Sears and Zemansky, University Physics 11th
Ed. Young & Freedman
M. Mulak / IF PWr
4
IŚ /OŚ rok 1
Termodynamika 2
Procesy termodynamiczne
II zasada termodynamiki:
Istnieją procesy zgodne z I zasadą
(zachowanie energii), które nigdy nie
zachodzą.
(przykłady: przepływ ciepła, kostka cukru,
cząstki gazu w naczyniu…)
I zasada nie określa kierunku procesu w
czasie;
Sears and Zemansky, University
Physics 11th Ed. Young & Freedman
II zasada wyjaśnia kierunek
rzeczywistych procesów: procesy w
naturze zachodzą od stanu porządku do
stanu nieuporządkowania.
(zastosowanie do wielu dyscyplin)
M. Mulak / IF PWr
5
IŚ /OŚ rok 1
Termodynamika 2
Układy izolowane ewoluują w
kierunku wzrostu nieporządku, miarą
tego nieporządku jest ENTROPIA.
II zasada termodynamiki: podejście
inŜynieryjne (silniki cieplne)
Trochę historii:
1712 silnik parowy
(pompa wodna w kopalni – Anglia)
1763-1782 J. Watt, rewolucja przemysłowa
1796-1832 Sadi Carnot (teoretyczne
ograniczenia na wydajność silników
rzeczywistych)
„Śmierć cieplna” Wszechświata
1850 II zasada termodynamiki –
wydajność silników cieplnych
Zerowa zasada termodynamiki: T
Pierwsza zasada: U
Druga zasada: S (entropia)
M. Mulak / IF PWr
6
IŚ /OŚ rok 1
Termodynamika 2
Silnik cieplny
energia cieplna (tylko pewna jej
część!) zamieniona na pracę (energię
mechaniczną).
Zbiornik ciepła
Ciepło pochłonięte (spalanie
węgla ->woda w parę)
II zasada termodynamiki (Kelvin-Planck)
Nie jest moŜliwe skonstruowanie silnika
cieplnego w którym
QH = W
oraz
QC = 0
czyli pewna ilość ciepła musi być oddana
do otoczenia.
Wykonana praca
Chłodnica (oddanie ciepła,
skroplenie pary wodnej)
∆U = 0 ⇒W = Qnet = QH − QC
Wydajność silnika
e=
M. Mulak / IF PWr
W QH − QC
Q
=
= 1− C
QH
QH
QH
7
IŚ /OŚ rok 1
Termodynamika 2
Chłodziarka = odwrotny silnik cieplny
Kuchnia
Wykonana praca
Zawartość lodówki
II zasada termodynamiki (Clausius)
Nie jest moŜliwy spontaniczny
przepływ ciepła od ciała zimniejszego
do cieplejszego.
M. Mulak / IF PWr
8