Termodynamika - Instytut Fizyki

Podstawy fizyki
wykład 6
Dr Piotr Sitarek
Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska
Termodynamika
 Elementy termodynamiki
 Temperatura
 Rozszerzalność cieplna
 Ciepło
 Praca a ciepło
 Pierwsza zasada termodynamiki
 Gaz doskonały - przemiany
 Druga zasada termodynamiki
Np. D.Halliday, R.Resnick, J.Walker, Podstawy fizyki, tom II (PWN)
H. D. Young, R. A. Freedman, Sear’s & Zemansky’s University Physics with
Modern Physics (Addison-Wesley Publishing Company)
K.Sierański, P.Sitarek, K.Jezierski, Repetytorium … (Scripta)
K.Sierański, K.Jezierski, B.Kołodka, Wzory … część II (Scripta)
Termodynamika
Termodynamika – dział fizyki, który zajmuje się
energią termiczną (energią wewnętrzną) układu.
Bada efekty energetyczne wszelkich przemian
fizycznych i chemicznych, które wpływają na
zmiany energii wewnętrznej analizowanych
układów.
Podstawowym pojęciem termodynamiki jest
temperatura.
Termodynamika
Zerowa zasada termodynamiki
termoskop
Jeżeli ciała A i B są w stanie równowagi termodynamicznej
z trzecim ciałem T, to są one także w stanie równowagi
termodynamicznej ze sobą nawzajem.
lub inaczej
Każde ciało ma pewną właściwość, którą nazywamy temperaturą. W stanie
równowagi termodynamicznej temperatura ciał jest równa.
Termodynamika
Skala Kelvina
Aby zdefiniować skalę temperatur, trzeba
wybrać jakieś powtarzalne zjawisko (zależne od
temperatury) i przypisać mu pewną (dowolną)
wartość temperatury bezwzględnej.
Przyjęto, że jest to tzw. punkt potrójny wody:
Stąd przyjęto, że kelwin to 1/273,16 różnicy
pomiędzy temperaturą punktu potrójnego wody
a zerem bezwzględnym.
Termodynamika
Skala Celsjusza
 Anders Celsius (1701–1744) zaproponował
‘odwróconą’ skalę temperatury:
0o – wrzenie wody
100o – topnienie lodu
 Carolus Linnaeus (1707–1778) zastosował
te same punkty temperatury lecz odwrócił
skalę:
100o – wrzenie wody
0o – topnienie lodu
Termodynamika
Skala Farenheita
 Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736) użył do kalibracji:
0oF – temperatura solanki (lód, woda, sole)
100oF – temperatura żony
 W skali Fahrenheita temperatura zamarzania wody: 32oF, a
temperatura wrzenia wody ~ 212o F. Aby różnica wynosiła 180oF,
zrobiono drobne poprawki. W wyniku poprawek temperatura
ciała ludzkiego wynosi 98.6oF.
Termodynamika
Porównanie
punkt potrójny wody
zero bezwzględne
Termodynamika
Termometry
• Termometry „objętościowe” związane są ze zmianą wymiarów ciała ze
zmianą temperatury (rozszerzalność liniowa). Najprostszym przykładem
jest termometr rtęciowy. Dokładniejszym przyrządem tego typu jest
termometry gazowy stałego ciśnienia. Pomiar temperatury polega na
pomiarze objętości (wymiaru liniowego) rozszerzającego się ośrodka.
• Termometry gazowe stałej objętości bazują na pomiarze zmian
ciśnienia ze zmianą temperatury. Służą do pomiarów małych temperatur.
• Termorezysty – to elementy elektryczne, które mierzą zmiany
temperatury poprzez pomiar związanej z nią zmiany oporu przewodnika
bądź półprzewodnika
• Termopary to układy dwóch przewodników, na stykach których wytwarza
się napięcie termoelektryczne, proporcjonalne do różnicy temperatur obu
styków (zjawisko Seebecka).
• Pirometry mierzą temperaturę poprzez pomiar (porównanie) emisji
promieniowania ciała, którego temperaturę chcemy określić, z emisją
ciała doskonale czarnego – nadają się do pomiaru wysokich temperatur i
do pomiarów „na odległość”.
Termodynamika
Termometry
Bolometry również bazują na fakcie, że emisja promieniowania
danego ciała jest proporcjonalna do jego temperatury.
Układy bimetali służą raczej jako dwustanowe przełączniki termiczne,
niż termometry, ale też pełnią rolę „mierników” temperatury.
Termodynamika
Rozszerzalność cieplna
Termodynamika
Rozszerzalność cieplna
Rozszerzalność liniowa
Termodynamika
Rozszerzalność cieplna
Termodynamika
Rozszerzalność cieplna
Termodynamika
Rozszerzalność cieplna
Przykład: Jaka jest różnica długości
legara betonowego o długości 12 m,
pomiędzy latem (35oC) i zimą (-5oC)?
L = 12 m
DT = 40oC
 = 12*10-6/C
DL =12*10-6 *12 * 40 = 5.5*10-3 m = 5.5 mm
Termodynamika
Ciepło
Obserwowana zmiana temperatury jest wynikiem przepływu energii
termicznej pomiędzy układem a jego otoczeniem.
Przekazywana energia nazywana jest ciepłem (Q).
Q > 0 gdy energia jest przekazywana z otoczenia do układu (wzrasta jego
energia termiczna).
Termodynamika
Ciepło
Ciepło jest energią przekazywaną między układem a
jego otoczeniem na skutek istniejącej między nimi
różnicy temperatury.
Jednostką ciepła jest dżul [J]
Kaloria (łac. calor – ciepło) – historyczna jednostka ciepła
- ilość ciepła potrzebna do podgrzania, pod ciśnieniem 1 atmosfery,
1g czystej chemicznie wody o 1 °C od temperatury 14,5 °C do 15,5 °C.
1 cal = 4,1855 J
W 1929 roku wprowadzono kalorię międzynarodową (obecnie używany
w fizyce przelicznik):
1 cal = 4,1868 J
Termodynamika
Przekazywanie ciepła
Termodynamika
Przemiany fazowe
Termodynamika
Przemiany fazowe
Termodynamika
Przemiany fazowe
Termodynamika
Mechanizmy przekazywania ciepła
konwekcja
promieniowanie
przewodnictwo
promieniowanie
Termodynamika
Mechanizmy przekazywania ciepła
Przewodnictwo cieplne – bezpośredni kontakt układów, wymiana energii
odbywa się w wyniku oddziaływania cząsteczek ciał;
Cząstki ciała się nie przesuwają.
Substancja
k [W/(m*K)]
Stal nierdzewna
14
Aluminium
235
Szkło okienne
1.0
Drewno sosnowe
0,11
Wełna mineralna
0,043
Pianka
poliuretanowa
0,024
Woda
0,57
Powietrze
0,026
Ciało
ludzkie(średnio)
0,20
Lód
2,2
Termodynamika
Mechanizmy przekazywania ciepła
Konwekcja – przenoszenie energii w cieczach i gazach nie na skutek ruchu
pojedynczych cząsteczek, a w wyniku ruchu makroskopowych ilości
substancji. Ruchy te występują na skutek różnicy gęstości substancji
w różnych temperaturach (np. w polu grawitacyjnym planety ciepłe
masy wody lub gazów unoszone są do góry, a chłodne masy opadają,
ponieważ mają większą gęstość w pewnym zakresie temperatur),
ruch płynu może być też wywołany inną przyczyną.
Termodynamika
Mechanizmy przekazywania ciepła
Promieniowanie cieplne – za pomocą fal elektromagnetycznych;
nie jest potrzebna obecność materii.
Termodynamika
Mechanizmy przekazywania ciepła
Przykład:
Powierzchnia człowieka – około 1m2
Zdolność emisyjna – około 0.75; Temperatura otoczenia Te=20 ⁰C=293K
Temperatura człowieka około T=37⁰C=310K


Pnet   S T 4  Te4  0.75 * 5,67 108
W
m2 K 4


1m2 310K   293K   79W
4
W czasie doby 24h=86400s, tracimy:
Q  Pnet  t  79W  86400s  6.8 106 J
Jeśli jemy 2000 kcal dziennie, czyli 2000 *1000*4.2J=8.4x106J
Inne: Te=30⁰C => P=34W
Te=18⁰C => P=88W, na dzień Q=7.6x106J
4
Termodynamika
ciśnienie, p
Praca a ciepło
przemiana
objętość, V
Termodynamika
Pierwsza zasada termodynamiki
Termodynamika
Pierwsza zasada termodynamiki
Termodynamika
Pierwsza zasada termodynamiki - przykłady
Termodynamika
Pierwsza zasada termodynamiki - przykłady
Termodynamika
Gaz doskonały
Termodynamika
Gaz doskonały
Termodynamika
Przemiany gazu doskonałego
Termodynamika
Przemiany gazu doskonałego
Termodynamika
Przemiany gazu doskonałego
Termodynamika
Proces kołowy – cykl Carnota
Termodynamika
Proces kołowy – cykl Carnota
Termodynamika
Proces kołowy – cykl Carnota
Termodynamika
Proces kołowy – cykl Carnota
Termodynamika
Druga zasada termodynamiki
Termodynamika
Druga zasada termodynamiki
Dziękuję za uwagę!