Kap 19 Termodynamikkens frste lov 1 Termodynamiske systemer

  • Slides: 26
Download presentation
Kap 19 Termodynamikkens første lov 1

Kap 19 Termodynamikkens første lov 1

Termodynamiske systemer Et termodynamisk system er et system som kan vekselvirke (og utveksle energi)

Termodynamiske systemer Et termodynamisk system er et system som kan vekselvirke (og utveksle energi) med omgivelsene på minst to måter, hvor en av disse er varmetransport. Eks: Popkorn W>0 Termodynamisk prosess Q>0 2

Termodynamikkens første lov Q : Varme som tilføres systemet U : Endring av indre

Termodynamikkens første lov Q : Varme som tilføres systemet U : Endring av indre energi W : Arbeid utført av systemet (positiv når varme tilføres) (veiuavhengig) (positiv når systemet utf. arb. 3

Arbeid p. A dx 4

Arbeid p. A dx 4

Arbeid Eksempler p p p V W>0 V W<0 V W =p(V 2 -V

Arbeid Eksempler p p p V W>0 V W<0 V W =p(V 2 -V 1) 5

Arbeid Eksempler p Isobar prosess (p konst. ) V p Isoterm prosess (T konst.

Arbeid Eksempler p Isobar prosess (p konst. ) V p Isoterm prosess (T konst. ) V Isokor prosess (V konst. ) p V 6

Arbeid Eksempel Hvor høyt kan du klatre på et 900 kilokalori-måltid? Du veier 60

Arbeid Eksempel Hvor høyt kan du klatre på et 900 kilokalori-måltid? Du veier 60 kg. 1 kcal = 4190 J. 7

Termodynamikkens første lov Eksempel Figuren viser en serie termodynamiske prosesser. Qab = 150 J

Termodynamikkens første lov Eksempel Figuren viser en serie termodynamiske prosesser. Qab = 150 J Qbd = 600 J Bestem: a) Uab b) Uabd c) Qacd p b d a c V 8

Termodynamikkens første lov Eksempel a) b) c) 9

Termodynamikkens første lov Eksempel a) b) c) 9

Indre energi til en ideal gass Den indre energien til en ideal gass avhenger

Indre energi til en ideal gass Den indre energien til en ideal gass avhenger kun av temperaturen, ikke av trykk eller volum. 10

Varmekapasitet til en ideal gass ac ab p c b a V 11

Varmekapasitet til en ideal gass ac ab p c b a V 11

Adiabatisk prosess for en ideal gass Ingen varmeutveksling med omgivelsene ab p a b

Adiabatisk prosess for en ideal gass Ingen varmeutveksling med omgivelsene ab p a b V 12

Adiabatisk prosess Eksempel: Kompresjon for en diesel motor Kompresjon for en dieselmotor er 15:

Adiabatisk prosess Eksempel: Kompresjon for en diesel motor Kompresjon for en dieselmotor er 15: 1 (1/15 av sin opprinnelige volumdel). Gassen er toatomig, prosessen tilnærmet adiabatisk. p 1 = 1. 01· 105 Pa T 1 = 300 K. Bestem slutt- trykk og slutt-temperatur ved kompresjonen. 13

Varme-maskin - Kjøle-maskin Syklus Varme-maskin Kjøle-maskin

Varme-maskin - Kjøle-maskin Syklus Varme-maskin Kjøle-maskin

Carnot-syklus

Carnot-syklus

Termodynamikkens 1. lov System Åpent system: Utveksling av både masse og energi Ovn Motor

Termodynamikkens 1. lov System Åpent system: Utveksling av både masse og energi Ovn Motor Lukket system: Bare utveksling av energi, ikke masse Lukket, uisolert beholder Ballong Benyttes ofte for å beskrive isoterme prosesser Isolert system: Ingen utveksling av masse eller energi Lukket, isolert termos Reaksjonsbeholder isolert med f. eks. isopor Universet Benyttes ofte for å beskrive et adiabatisk system

Termodynamikkens 1. lov Prosesser Isoterm : Kontant temperatur Isokor : Konstant volum Isobar :

Termodynamikkens 1. lov Prosesser Isoterm : Kontant temperatur Isokor : Konstant volum Isobar : Kontant trykk Adiabatisk : Ingen varmeutveksling

Termodynamikkens 1. lov Tilstandsfunksjoner Til beskrivelse av et system, trenger vi generelt mange egenskaper

Termodynamikkens 1. lov Tilstandsfunksjoner Til beskrivelse av et system, trenger vi generelt mange egenskaper og variabler. For et system i likevekt, trenger vi bare noen få variabler. Eks: En mengde rent vann: 3 uavhengige variabler Mengde, f. eks. antall mol (1 mol = NA = 6. 022 1023 partikler (molekyl, atom, …) Temperatur T Trykk p Tilstrekkelig til å bestemme: Volum V = f(n, T, p) Tetthet Slike variabler kalles tilstandsfunksjoner. De er en funksjon av tilstanden og ikke av forhistorien. Forandringer i tilstandsfunksjoner (f. eks. P) fra en tilstand til en annen er uavhengig av veien.

Termodynamikkens 1. lov Tilstandsfunksjonen for en ideell gass Til beskrivelse av et system, trenger

Termodynamikkens 1. lov Tilstandsfunksjonen for en ideell gass Til beskrivelse av et system, trenger vi generelt mange egenskaper og variabler. For et system i likevekt, trenger vi bare noen få variabler. R: Den universelle gasskonstanten R = 8. 3144621 J K -1 mol -1

Termodynamikkens 1. lov Total energi er konstant Q : Tilført varme til systemet U

Termodynamikkens 1. lov Total energi er konstant Q : Tilført varme til systemet U : Endring av indre energi i systemet W : Arbeid utført av systemet på omgivelsene U : Indre energi i systemet består av: Hvilemass E = mc 2 Elektronenes potensielle og kinetiske energi Translasjon-, rotasjon- og vibrasjon-energi av atomer/molekyler

Termodynamikkens 1. lov Isobar prosess p p = p. A = p. B A

Termodynamikkens 1. lov Isobar prosess p p = p. A = p. B A B W VA En-atomig gass VB V

Termodynamikkens 2. lov Entropi

Termodynamikkens 2. lov Entropi

Termodynamikkens 1. lov Total energi er konstant Forrige eksempel på reversibel og irreversibel prosess

Termodynamikkens 1. lov Total energi er konstant Forrige eksempel på reversibel og irreversibel prosess Var knyttet til volumarbeid (endring i trykk x volum) og endelig hastighet. Mange maskiner (forbrenningsmotorer, gassturbinder, …) gjør lignende prosesser vha varmesykluser. Nicolas L. Sadi Carnot viste i 1824 at man får minst tap (mest reversibel prosess) dersom syklusen er: - Isoterm ekspansjon ved konstant høy temperatur - Adiabatisk (isolert) eksansjon til lav temperatur - Isoterm kompresjon ved konstant lav temperatur - Adiabatisk (isolert) kompresjon tilbake til utgangspunktet Effektiviteten (virkningsgraden) ved en Carnot-syklys er gitt ved:

Termodynamikkens 1. lov Total energi er konstant Effektiviteten (virkningsgraden) ved en Carnot-syklys er gitt

Termodynamikkens 1. lov Total energi er konstant Effektiviteten (virkningsgraden) ved en Carnot-syklys er gitt ved: - Isoterm ekspansjon ved konstant høy temperatur - Adiabatisk (isolert) ekspansjon til lav temperatur - Isoterm kompresjon ved konstant lav temperatur - Adiabatisk (isolert) kompresjon tilbake til utgangspunktet Varme inn – Arbeid ut

Termodynamikkens 1. lov Carnot syklus 1 4 2 3

Termodynamikkens 1. lov Carnot syklus 1 4 2 3

Termodynamikkens 1. lov Canot syklus - Bevis for virkningsgrad 1 1 2 4 2

Termodynamikkens 1. lov Canot syklus - Bevis for virkningsgrad 1 1 2 4 2 3 3 4