PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

Transkriptio

1 PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op) Sisältö: Nestevirtaukset Elastiset muodonmuutokset Kineettinen kaasuteoria Termodynamiikan käsitteet Termodynamiikan pääsäännöt Termodynaamiset prosessit Termodynaamiset koneet

2 Osaamistavoitteet Kurssin suoritettuaan opiskelija osaa 1. suorittaa fysikaalisia mittauksia ja analysoida saamiaan tuloksia, 2. ratkaista nesteiden virtauksia jatkuvuusyhtälön ja Bernoullin yhtälön avulla, 3. ratkaista elastisen kappaleen lämpövenymiä ja -jännityksiä sekä paineen aiheuttamia elastisia muodonmuutoksia, 4. soveltaa termodynamiikan pääsääntöjä termodynaamisiin prosesseihin, 5. selittää kineettisen kaasuteorian ja ideaalikaasun tilanyhtälön yhteyden, 6. analysoida termodynaamisia kiertokoneita ja laskea näiden hyötysuhteen sekä käyttöpaineen, -lämpötilan ja -tilavuuden.

3 Suorittaminen Viisi komponenttia 1. Harjoitukset: 2 x 2 h / vko 5 viikon ajan, palautus STACKjärjestelmään MyCoursesissa 2. Luentojen esitehtävät: viikoittain ennen luentoja, palautus MasteringPhysics-järjestelmään MyCoursesissa 3. Luennot: 2 x 2 h / vko 5 viikon ajan 4. Oppimispäiväkirja: palautus kolme kertaa kurssin aikana 5. Laboratoriotyöt: 3 työtä Arvostelu 1. Tentti: 4 tehtävää, enintään 24 pistettä 2. Harjoitukset: enintään 6 pistettä 3. Luentojen esitehtävät, enintään 2 pistettä 4. Oppimispäiväkirja, enintään 3 pistettä 5. Laboratoriotyöt: suoritettava hyväksytysti: enintään 6 pistettä Yhteensä enintään tenttipisteet

4 Järjestelmät MyCourses Harjoitustehtävät ja niiden vastaukset Luentomateriaali Harjoitukset Oppimispäiväkirjan palautus Tiedotus, ym. Stack (MC:ssä) Satunnaistetut versiot tehtävistä Tehtävien palautus Palautuksen takaraja: harjoitusviikon jälkeinen maanantai klo MasteringPhysics (MC:ssä) Luentojen aiheisiin johdattavat tehtävät Palautetaan ennen luentoa

5 Oppimispäiväjkirja Miksi? Keskeinen osa oppimista on oman oppimisen ymmärtäminen Miten? Aina kahden viikon jälkeen Kirjoitetaan omin sanoin käyttäen kokonaisia virkkeitä Helpointa kirjoittaa jatkuvasti Palauttaminen Palautetaan MyCoursesissa kolme kertaa kurssin aikana Riittää palauttaa kahden viikon jaksoon liittyvä teksti

6 Luennot Luennoilla keskeisiä ovat kurssin käsitteet näiden hallintaa testataan myös tentissä Luennoilla käytetään metodia, jossa kaikki läsnäolijat pääsevät osallistumaan Käsitteiden oppiminen paranee, jos niitä joutuu käyttämään itse aktiivisesti Presemo Luennoilla tukena on Aallon järjestelmä, Presemo Presemon avulla luennoitsija saa tietoa yleisön käsityksistä Presemoa käytetään omalla päätelaitteella osoitteessa Osallistujia ei tunnisteta Osallituminen Presemon kautta ei ole välttämätöntä, tärkeintä on osallistua keskusteluun

7 Fysiikan opinnot Termodynamiikka (periodi I) Sähkömagentismi (periodi III) Pakolliset Aineen rakenne (periodi IV / I+II) Sivuaine Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Sähkömagneettisen kenttäteorian perusteet Kvanttimekaniikka Materiaalifysiikka

8 Nesteet Mikä on neste? Tapaus 1: Tapaus 2:

9 Nestevirtaukset Yleisesti ottaen nesteen virtaus on aika sekava prosessi. Tehdään muutamia helpottavia oletuksia: 1. Pyörteettömyys eli virtaus on ns. laminaarista 2. Kitkattomuus eli nesteessä ei ole sisäistä kitkaa 3. Virtauksen tulppaprofiili eli neste liikkuu rintamana samalla nopeudella 4. Usein myös kokoonpuristumattomuus eli nesteen tiheys ei muutu virtauksessa

10 Turbulenssin hävittäminen vastaturbulenssilla Virtausnopeus putkessa kasvaa Pyörteinen eli turbulentti virtaus Science 19 March 2010: Vol. 327 no pp

11 Nestevirtaukset: jatkuvuusyhtälö Määritellään nesteen massavirta: Δm / Δt = kunkin pisteen ohittaman nesteen massa aikayksikössä Koska pisteessä 1: Δm1 = ρ1δv1 = ρ1a1δℓ1 ja samoin pisteessä 2: Δm2 = ρ2δv2 = ρ2a2δℓ2 ja koska massa ei missään häviä: Δm1 / Δt = Δm2 / Δt ja koska Δℓ1 / Δt = v1 & Δℓ2 / Δt = v2 Kavennus siis kiihdyttää nesteen virtausta Jatkuvuusyhtälö Jos nesteen tiheys ei muutu eli neste on kokoonpuristumatonta niin ρ1 = ρ2 ja

12 Nestevirtaukset: Bernoullin yhtälö Jatkuvuusyhtälö: mikä menee sisään, tulee uloskin Bernoullin periaate: Jos nesteen virtausnopeus on suuri, niin sen paine on pieni ja jos nopeus on pieni niin paine on suuri Pieni paine Suuri paine Daniel Bernoulli Mutta: Mikä saa nesteen liikkumaan?

13 Nestevirtaukset: Bernoullin yhtälö Työ pisteessä 1: Työ pisteessä 2: Painovoiman tekemä työ: Kaikki nämä muuttavat nesteen liike-energiaa: Kokoonpuristumattomalle nesteelle

14 Nestevirtaukset: Bernoullin yhtälö Bernoullin yhtälö siis sanoo, että tietty paineesta, virtausnopeudesta ja painovoiman potentiaalienergiasta riippuva lauseke säilyy virtaviivalla Milloin tämä on realistista: Kun virtaus on pyörteetöntä Kun virtaus on kitkatonta Ylläolevassa muodossa, kun virtaus on kokoonpuristumatonta

15 Esimerkki: Venturin putki kaasuttimessa

16 Elastisuus: venymä ja jännitys Hooken laki: jännitys, merk. σ eli: kimmomoduli eli Youngin moduli eli: (suhteellinen) venymä ε

17 tai jännitys σ Elastisuus: venymä ja jännitys tai venymä ε

18 Elastisuus: Siirtymä dx Venymätön: u(ℓ0)=δℓ u(0)=0 Venynyt: u(x) Δℓ lö ä t h y i l a tia n e r ffe i d i ul t ä p ä t s x Tä ℓ 0 dx + du

19 Elastisuus: Venymä ja Siirtymä Venymätön: u(x) Δℓ Venynyt: x E / σ = ) x ( u x ℓ0 Kun venymä ei ole vakio: