Podstawy fizyki
wykład 7
Dr Piotr Sitarek
Katedra Fizyki Doświadczalnej
Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej
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
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.
termoskop
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
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
Ciepło jest energią przekazywaną między układem a jego otoczeniem na skutek istniejącej między nimi
różnicy temperatury.
Termodynamika
Przekazywanie ciepła
Termodynamika
Przemiany fazowe
Termodynamika
Przemiany fazowe
Termodynamika
Przemiany fazowe
Termodynamika
Mechanizmy przekazywania ciepła
konwekcjaprzewodnictwo
promieniowaniepromieniowanie
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=293KTemperatura człowieka około T=37⁰C=310K
WKKmTTSPKm
Wenet 7929331011067,5*75.0
44284442
W czasie doby 24h=86400s, tracimy:
JsWtPQ net
6108.68640079
Jeśli jemy 2000 kcal dziennie, czyli 2000 *1000*4.2J=8.4x106J
Inne: Te=30⁰C => P=34WTe=18⁰C => P=88W, na dzień Q=7.6x106J
Termodynamika
Praca a ciepło
objętość, V
ciś
nie
nie
, p
przemiana
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!