Termodynamika Gaz doskonay Procesy termodynamiczne Klasyczny gaz idealny

  • Slides: 28
Download presentation

Termodynamika Gaz doskonały Procesy termodynamiczne Klasyczny gaz idealny Sprawność silnika Ciepło właściwe Cykl Carnota

Termodynamika Gaz doskonały Procesy termodynamiczne Klasyczny gaz idealny Sprawność silnika Ciepło właściwe Cykl Carnota I zasada termodynamiki II zasada termodynamiki Zmiana energii wewnętrznej

Dział fizyki zajmujący się badaniem energetycznych efektów wszelkich przemian fizycznych i chemicznych, które wpływają

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.

To gaz idealny spełniający następujące warunki : Brak oddziaływań międzycząsteczkowych w gazie z wyjątkiem

To gaz idealny spełniający następujące warunki : Brak oddziaływań międzycząsteczkowych w gazie z wyjątkiem odpychania w momencie zderzeń cząsteczek Objętość cząsteczek jest znikoma w stosunku do objętości gazu Zderzenia cząsteczek są doskonale sprężyste

Gaz taki w mechanice klasycznej opisuje równanie Clapeyrona (równanie stanu gazu doskonałego), przedstawiające zależność

Gaz taki w mechanice klasycznej opisuje równanie Clapeyrona (równanie stanu gazu doskonałego), przedstawiające zależność między ciśnieniem gazu (p), jego objętością (V), temperaturą (T) i licznością (n) wyrażoną w molach: gdzie R jest stałą gazowa lub gdzie k jest stałą Boltzmana

Gaz doskonały to model, słuszny w pełni jedynie dla bardzo rozrzedzonych gazów (wzrost ciśnienia

Gaz doskonały to model, słuszny w pełni jedynie dla bardzo rozrzedzonych gazów (wzrost ciśnienia powoduje, że zmniejszają się odległości między cząsteczkami, co trzeba uwzględnić, oraz powoduje wzrost przyciągania cząsteczek), w niezbyt niskich (zaczyna dominować przyciąganie cząsteczek), ani zbyt wysokich temperaturach (zderzenia przestają być sprężyste), jednak może być stosowany w praktyce do niemalże wszystkich gazów w warunkach normalnych. Dla gazów rzeczywistych przy dużych gęstościach i ciśnieniach niezbędne jest stosowanie równań uwzględniających w/w pominięte efekty.

Ilość ciepła potrzebnego do ogrzania jednego kilograma substancji o jeden stopień to tzw. ciepło

Ilość ciepła potrzebnego do ogrzania jednego kilograma substancji o jeden stopień to tzw. ciepło właściwe Ciepło molowe jest to ilość ciepła potrzebnego do ogrzania jednego mola substancji o jeden stopień

Ponieważ to Gazy mogą być ogrzewane w wyniku dostarczania ciepła tylko w przemianie izobarycznej

Ponieważ to Gazy mogą być ogrzewane w wyniku dostarczania ciepła tylko w przemianie izobarycznej (p = const. ) i izochorycznej (V = const. ).

Ogrzanie 1 mola gazu o 1 K w obu przypadkach wymaga różnych ilości ciepła

Ogrzanie 1 mola gazu o 1 K w obu przypadkach wymaga różnych ilości ciepła i dlatego ciepło molowe (i właściwe) przy stałym ciśnieniu (Cp) ma inną wartość niż ciepło molowe (i właściwe) przy stałej objętości (Cv). Związek między ciepłymi molowymi ma postać : Cp = Cv + R, gdzie R - to stała gazowa Iloraz Cp i Cv stanowi wykładnik adiabatyczny c, gdzie:

Pierwsza zasada termodynamiki to prosta zasada zachowania energii, czyli ogólna reguła głosząca, że energia

Pierwsza zasada termodynamiki to prosta zasada zachowania energii, czyli ogólna reguła głosząca, że energia w żadnym procesie nie może pojawić się "znikąd". ΔU = ΔQ + ΔW Gdzie: ΔU - zmiana energii wewnętrznej układu ΔQ - ciepło wymienione przez układ z otoczeniem, jeśli układ oddaje ciepło, jego energia wewnętrzna maleje ΔW - praca wykonana przez układ lub nad układem

Wykonując pracę W nad układem lub doprowadzając do sytuacji, gdzie układ wykonuje pracę Dostarczając

Wykonując pracę W nad układem lub doprowadzając do sytuacji, gdzie układ wykonuje pracę Dostarczając do układu energię poprzez ciepło Q lub doprowadzając do sytuacji, gdy układ oddaje ciepło

Procesem termodynamicznym nazywamy proces zmian układu termodynamicznego. Rozróżniamy procesy odwracalne i nie odwracalne. Proces

Procesem termodynamicznym nazywamy proces zmian układu termodynamicznego. Rozróżniamy procesy odwracalne i nie odwracalne. Proces jest odwracalny, gdy możemy go przeprowadzić w kierunku odwrotnym – ze stanu końcowego do stanu początkowego – przez ten sam ciąg stanów pośrednich, nie wywołując przy tym żadnych zmian w otoczeniu. Przykładem procesów termodynamicznych odwracalnych są przemiany: izotermiczna, izochoryczna, izobaryczna i adiabatyczna.

Siła tarcia N S Siła lepkości Prądy wirowe w metalu

Siła tarcia N S Siła lepkości Prądy wirowe w metalu

Zachodzi, gdy temperatura jest stała, ciśnienie i objętość zmieniają się odwrotnie do siebie. Równanie

Zachodzi, gdy temperatura jest stała, ciśnienie i objętość zmieniają się odwrotnie do siebie. Równanie przemiany izotermicznej (prawo Boyle'a - Mariotte'a) ma postać: czyli p 1 V 1 = p 2 V 2 p. V = const

Wykresem zależności p. V=const jest hiperbola, która nazywana jest izotermą.

Wykresem zależności p. V=const jest hiperbola, która nazywana jest izotermą.

Zachodzi, gdy ciśnienie gazu nie ulega zmianie (jest stałe). Objętość i temperatura gazu w

Zachodzi, gdy ciśnienie gazu nie ulega zmianie (jest stałe). Objętość i temperatura gazu w tej przemianie zmieniają się wprost proporcjonalnie do siebie. Ta przemiana gazu nastąpi, gdy otrzyma on ciepło z zewnątrz (gaz ogrzeje się i wykona pracę przesuwając tłok w stronę rosnącej objętości) lub gdy gaz oddaje ciepło na zewnątrz (siły zewnętrzne wykonują pracę w celu zmniejszenia objętości oraz wyrównania ciśnienia i równocześnie nastąpi oziębienie gazu).

Ciśnienie gazu jest stałe i równe sumie ciśnienia tłoka i ciśnienia atmosferycznego: p=pa+ pt

Ciśnienie gazu jest stałe i równe sumie ciśnienia tłoka i ciśnienia atmosferycznego: p=pa+ pt Równanie przemiany izobarycznej ma postać (prawo Gay - Lussaca): czyli = const

Wykresy zależności p(T), p(V), V(T) (czyli izobary) mają poniżej przedstawione przebiegi:

Wykresy zależności p(T), p(V), V(T) (czyli izobary) mają poniżej przedstawione przebiegi:

Zachodzi, gdy objętość gazu nie ulega zmianie (stała objętość naczynia) a ciśnienie i temperatura

Zachodzi, gdy objętość gazu nie ulega zmianie (stała objętość naczynia) a ciśnienie i temperatura gazu zmieniają się wprost proporcjonalnie do siebie. Równanie przemiany izochorycznej (prawo Charlesa) ma postać: czyli

Ta przemiana gazu nastąpi, gdy otrzyma on ciepło (ogrzeje się) lub gdy odda ciepło

Ta przemiana gazu nastąpi, gdy otrzyma on ciepło (ogrzeje się) lub gdy odda ciepło na zewnątrz (oziębia się).

Jest to przemiana w której nie ma wymiany ciepła z otoczeniem i wszystkie parametry

Jest to przemiana w której nie ma wymiany ciepła z otoczeniem i wszystkie parametry określające stan gazu (p, V, T) ulegaj zmianie. Równanie przemiany ma postać (równanie Poissona): czyli oraz

Wykładnik potęgi (kappa)- wykładnik adiabaty, przyjmuje wartości: dla gazów jednoatomowych np. , He, Ar,

Wykładnik potęgi (kappa)- wykładnik adiabaty, przyjmuje wartości: dla gazów jednoatomowych np. , He, Ar, Kr dla gazów dwuatomowych np. , O 2, H 2, CO dla gazów o cząsteczkach trój lub więcej atomowych np. , H 2 O, CO 2

Wykresy przemiany adiabatycznej (adiabaty) w porównaniu z wykresami przemiany izotermicznej:

Wykresy przemiany adiabatycznej (adiabaty) w porównaniu z wykresami przemiany izotermicznej:

Silnik, który nie może istnieć w przyrodzi Musi być spełniony warunek: tymczasem mamy:

Silnik, który nie może istnieć w przyrodzi Musi być spełniony warunek: tymczasem mamy:

Silnik, który może istnieć w przyrodzie: Aby silnik działał prawidłowo, musi spełniać zasady termodynamiki:

Silnik, który może istnieć w przyrodzie: Aby silnik działał prawidłowo, musi spełniać zasady termodynamiki: sprawność: tak musi być, aby silnik spełniał zasady termodynamiki

Silnik to układ termodynamiczny podlegający procesowi cyklicznemu, tzn. procesowi, w którym stan końcowy jest

Silnik to układ termodynamiczny podlegający procesowi cyklicznemu, tzn. procesowi, w którym stan końcowy jest identyczny ze stanem początkowym. Cykl Carnota składa się z następujących procesów: pobranie ciepła Q>0 ze zbiornika o temperaturze T, przekazanie ciepła Q'>0 do zbiornika o temperaturze T', T , wykonanie pracy W>0

Cykl Carnota w układzie (p, V) Cykl Carnota w układzie (S, T)

Cykl Carnota w układzie (p, V) Cykl Carnota w układzie (S, T)

Według Clausiusa Nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem jest pobieranie ciepła ze zbiornika

Według Clausiusa Nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem jest pobieranie ciepła ze zbiornika chłodniejszego i przekazanie go do zbiornika cieplejszego. Według Kelwina Nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem jest pobranie ciepła i całkowita jego zmiana na pracę.