termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka 2006

[email protected] 1

Termodynamiikan suureitaja vähän muutakin

mikko rahikka 2006

[email protected] 2

Lämpötila• Suure lämpötila kuvaa kappaleen/systeemin lämpimyyttä

(huono ilmaisu). Ihmisen aisteilla on hankala tuntea lämpötilaa, silti tiedämme miltä kuuma ja kylmä tuntuvat.

• Lämpötilaa voidaan mitata esim. lämpölaajenemiseen perustuvilla mittareilla, jolloin lämpötila voidaan määritellä sillä ominaisuudella, jota lämpömittari mittaa (esim. lämpölaajenemisella).

• Lämpötila liittyy jokaiseen kappaleen pisteeseen, eristetyssä systeemissä ajan myötä koko systeemi on samassa lämpötilassa, näin lämpötilan mittaaminen yhdessä kohdassa mahdollistaa koko systeemin lämpötilan mittaamisen

[email protected] 3

T• Lämpötilan yksikkö SI-järjestelmässä on

kelvin = K. Kelvin on SI järjestelmän perusyksikkö• Kelvin, termodynaamisen lämpötilan yksikkö, on

1/273,16 veden kolmoispisteen termodynaamisesta lämpötilasta. (1967, 13. CGPM)

• Celciusasteikon ja kelvinasteikon muunnos:• 0 °C = 273,15 K.• Esim. 25°C = (25 + 273,15) K = 298,15 K ≈ 298 K

04/24/23 [email protected] 4

Lämpölaajenemiskerroin

• Kuvailee kappaleen kykyä laajeta, kun sen lämpötila kasvaa.

• Jos teräskappaleen pituus on 1000 m ja sen lämpötila kasvaa 20 K, niin venymä on


Paine

• Kappaleen/systeemin kohdan ominaisuus, joka kuvailee kyseiseen kohtaan kohdistuvaa puristusvoimakkuutta.

• Paineella ei ole suuntaa. Voimalla on.


Paine-esimerkki

• Oppikirjan massa on 0,35 kg ja sen sivujen pituudet ovat 17 cm x 22 cm. Kun kirja lepää pöydällä sen aiheuttama paine pöytää vastaan on


Hydrostaattinen paine

• Nesteen tai kaasun omasta painosta aiheutuva paine.

• Normaali ilmanpaine Maan pinnalla p0 = 101325 Pa ≈ 101,3 kPa

• Hydrostaattinen paine syvyydellä h


paine-esimerkki

• 10 metrin syvyydellä hydrostaattinen paine on

• Kokonaispaine

Kaasu

• Kaasu koostuu nopeasti liikkuvista toisiinsa ja säiliön seinämiin törmäilevistä atomeista/molekyyleistä.

• Molekyylien koko on hyvin pieni verrattuna niiden keskimääräiseen matkaan.

• Todellista kaasua mallinnetaan/kuvataan matemaattisella kuvitelmalla/yksinkertaisuksella; ideaalikaasu

Ideaalikaasun tilayhtälö

• Toimii harvalle kaasulle riittävän kuumassa eli ”kaukana” tiivistymisestä (Tp-faasiavaruudessa).


Lämpöenergia eli lämpö Q• Kappaleeseen tuodun tai siitä siirretyn energian määrää

merkitään yleensä Q:lla• Energian tuominen systeemiin lämmittää sitä (T kasvaa tai

olomuoto muuttuu).• Systeemiin tuotu energia muuttuu kappaleen sisäenergiaksi

(lämpeneminen) ja systeemin tekemäksi työksi (esim. kaasu laajenee). (T1)

• Lämpö siirtyy johtumalla, aineen mukana kulkeutumalla tai säteilynä.

• MR:lle lämpöenergia ja lämpö ovat sama asia, Physicassa eri! Onko Auringosta siirtyvä energia lämpöenergiaa silloin kun se kiitää avaruudessa valon nopeudella?


Lämpö on energiaa

• Systeemillä, kappaleella on sisäenergiaa.• Kun energiaa tuodaan systeemiin, sen

sisäenergia kasvaa.• Jos systeemi pysyy samassa olomuodossa (esim.

kiinteänä), niin sen lämpötila kasvaa sisäenergian kasvaessa.

• Olomuodon muutoksen aikana lämpötila pysyy samana vaikka sisäenergiaa kasvaa tai vähenee.


Sisäenergia = U

• Kun kappaletta/systeemiä lämmitetään tai kun se tekee työtä, niin osa energiasta jää kappaleeseen/systeemiin.

• Sisäenergia on kappaleessa/systeemissä olevaa lämpöenergiaa.

• Sisäenergia on kappaleen rakenneosien (atomien, molekyylien) kokonais liike- ja potentiaalienergia.


Q on systeemiin tuotu energia

• Kiinteällä aineella ja nesteellä: Q =cm∆T, missä Q on tuotu energia, c aineen ominaislämpökapasiteetti, m massa ja ∆T on lämpötilan muutos

• Kaasuilla Q = cm∆T + W, missä W on kaasun laajenemisesta aiheutuva työ.


Lämpökapasiteetti

• Kuvaa kappaleen kykyä lämmetä, kullekin kappaleelle (kalorimetri, kattila, muki, minä jne.) ominainen.

• Mitä suurempi lämpökapasiteetti, niin sitä enemmän tarvitaan energiaa kappaleen lämpötilan kasvattamiseen.

• Olomuoto ei saa muuttua!• Mikä on sinun

lämpökapasiteettisi?


Ominaislämpökapasiteetti

• Aineelle (alkuaineet, yhdisteet, metalliseokset jne.) ominainen suure, joka kuvaa kuinka paljon energiaa tarvitaan lämpötilan nostamiseen massayksikköä kohden.


Ominaissulamislämpö ja ominaishöyrystymislämpö

• Aineelle ominaisia vakioita, jotka kuvaavat kuinka paljon energiaa tarvitaan tietyn massamäärän sulattamiseen tai höyrystämiseen.


Termodynamiikan 1. pääsääntö eli energian säilymislaki

• Energiaa ei voida luoda eikä hävittää. Ainoastaan vain muuttaa muodosta toiseen.

• Systeemiin tuotu lämpö muuttuu systeemin sisäenergiaksi ja systeemin tekemäksi työksi.

• toisissa kirjoissa ∆U = Q + W, näissä ajatellaan että W on systeemin ulkopuolelta vaikuttavan voiman työ, minä ja suuri osa maailmasta (esim. Alonso – Finn, Fundamental University Physics, Young - Freeman, University Physics) ajattelee että W on systeemin tekemä työ. W:n etumerkki on tietysti sopimuskysymys.


Entropia

• Systeemin epäjärjestyksen mitta.• T2: Epäjärjestys kasvaa eli luonnossa

lämpö siirtyy itsestään kuumasta kylmään.• Pitkällä aikavälillä systeemissä tapahtuvat

ilmiöt kulkevat todennäköisimpään suuntaan. Epäjärjestys on todennäköisempää kuin järjestys!

• Miten elämä on mahdollista?


Termodynamiikaan 2. pääsääntöeli energian huonontumisen laki

• Eristetyn systeemin prosessi etenee kohti suurinta todennäköisyyttä eli suuntaan jossa entropia kasvaa.

• Luonnon prosesseissa osa energiasta muuttuu lämpöenergiaksi (rakenneosien liike-energiaksi).

http://fi.wikipedia.org/wiki/Entropia

termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka 2006

Documents