PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Transkriptio

1 PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017 Emppu Salonen Prof. Peter Liljeroth Viikko 1: Lämpötila ja lämpö Maanantai ja tiistai

2 A theory is the more impressive the greater the simplicity of its premises is, the more different kinds of things it relates, and the more extended is its area of applicability. Therefore the deep impression which classical thermodynamics made upon me. It is the only physical theory of universal content concerning which I am convinced that, within the framework of the applicability of its basic concepts, it will never be overthrown (for the special attention of those who are skeptics on principle). - Albert Einstein

3 Yleistä kurssista Luennot maanantaisin ja tiistaisin ( ) 6 laskuharjoitusta, tehtäviä lasketaan sekä harjoituksissa että itsenäisesti; ratkaisut myöhemmin MyCourses-sivulla Arvostelu: laskuharjoitukset 1/3, projektityö 1/3, kotitentti 1/3 Huom! Projektityö ja kotitentti ovat pakollisia; niistä kummastakin on saatava erikseen hyväksytty suoritus (minimipisteet)

4 Kurssin teemat 1. Lämpötila ja lämpö 2. Työ ja termodynamiikan 1. pääsääntö 3. Lämpövoimakoneet ja termodynamiikan 2. pääsääntö 4. Entropia 5. Termodynaamiset potentiaalit 6. Faasimuutokset

5 Kurssin oppimistavoitteet Osaat määritellä ja selittää termodynamiikan peruskäsitteet, joita ovat mm. sisäenergiä, lämpö, työ, entropia ja kemiallinen potentiaali (näistä täydellinen lista jo MyCourses-sivuilla) Osaat soveltaa termodynamiikan pääsääntöjä ja laskea siirtyneen lämmön, tehdyn työn ja tilanfunktioiden muutoksia erilaisissa termodynaamisissa prosesseissa Osaat selittää termodynaamisen potentiaalin käsitteen sekä soveltaa käsitettä tarkastellun systeemin tasapainotilan määrittämisessä Olet harjoitellut ryhmätyötaitoja ja tieteellisen raportin tekemistä

6 Kurssin oppimateriaali Pääasiallinen oppimateriaali allekirjoittaneen laatima moniste. Luennot seuraavat tätä runkoa. Jaetaan kurssin edetessä MyCourses-sivulla Lisäksi: perusteellinen ja uusi termofysiikan oppikirja, käytetään 2. vuoden kurssilla PHYS- C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Saatavana Aallossa e-kirjana

7 Viikon tavoitteet Osaat selittää termodynamiikan peruskäsitteitä: systeemi (eristetty/suljettu/avoin), tila, tilanmuuttuja, tilanyhtälö, sisäenergia, lämpötila, lämpö, lämpökapasiteetti Osaat laskea siirtynyttä lämpöä ja lämpötilan muutoksia yksinkertaisissa eristetyissä/suljetuissa systeemeissä (kalorimetria)

8 Termodynamiikasta

9 Newcomenin höyrykone (1712) James Wattin höyrykone ( luvut)

10 Energian historiaa Isaac Newton, Gottfried Leibniz ja vis viva (1600-luvun loppu) Antoine Lavoisier ja kalorikki (1700-luvun loppu) Julius von Mayer ja James Joule: lämmön mekaaninen ekvivalenssi (1840-luku) Hermann von Helmholtz: yleinen energian säilymislaki (1847) It is important to realize that in physics today, we have no knowledge of what energy is. -- Richard Feynman, Feynman Lectures on Physics (1964)

11 Esimerkki: lämpövoimakoneet

12 Esimerkki: faasimuutokset

13 Esimerkki: pehmeä aine Kuminauhan lämmitys, entrooppinen jousi

14 Esimerkki: molekyylimoottorit YouTube: Kinesin protein walking on microtubule

15 Systeemi ja ympäristö

16 Erityyppisiä systeemeitä Eristetyt Suljetut Avoimet

17 ?

18 Mikroskooppinen vs. makroskooppinen lähestymistapa

19 Termodynaaminen tila

20 Termodynaaminen (tasapaino)tila Termodynaamisen tilan karakterisoi joukko makroskooppisia, kokeellisesti havaittavia ja hyvin määriteltyjä suureita (esim. V, p, T, N,...) Tilan yksikäsitteiseen määrittelemiseen tarvitaan vain rajoitettu määrä näitä suureita, joita kutsutaan tilanmuuttujiksi Muut termodynaamista tilaa karakterisoivat suureet ovat tällöin tilanmuuttujien määräämiä tilanfunktioita V, p, T, N, U, S, μ,... Palaamme myöhemmin tarkemmin termodynaamisen tasapainotilan ehtoihin

21 Termodynaaminen prosessi Systeemin tilan muuttamista/muuttumista kutsutaan termodynaamiseksi prosessiksi Riippuen siitä, miten prosessi tapahtuu tilanmuuttujat ovat tai eivät ole hyvin määriteltyjä V 1, p 1, T 1,... 1 V 2, p 2, T 2,... 2

22 Tilanfunktioiden ominaisuuksia Tilanfunktio on tilan yksikäsitteisesti määrittelemä Sen muutos tilasta toiseen ei voi riippua valitusta prosessista Tilanfunktion differentiaalin sanotaan tällöin olevan eksakti Epäeksaktin differentiaalin integraalin arvo vuorostaan riippuu integroimistiestä

23 Lämpötila ja lämpö

24 Pohdintaa Mikä on lämpötila? Mitä on lämpö?

25 Kalorikki Antoine Lavoisierin kalorikkiteoria (1783): lämpö on tuhoutumatonta, itseään hylkivää ainetta, kalorikkia, joka virtaa kuumemmasta kappaleesta kylmempään (lat. calor, lämpö) Selitti esim. lämpötilojen tasoittumisen, tunnettuja kaasulakeja, aineen olomuodon muutokset Kreivi Rumford osoitti kuitenkin, että kappaleesta voitiin kitkan avulla saada ulos käytännössä rajaton määrä kalorikkia teoria ei voinut olla oikein Tästä huolimatta teorialla oli kannattajansa vielä lähes 100 vuotta...

26 Termodynamiikan 0. pääsääntö A 1) Jos B on A:n kanssa termisessä tasapainossa... B C 2)... ja C on A:n kanssa termisessä tasapainossa... 3) niin B on C:n kanssa termisessä tasapainossa

27 Erilaisia lämpömittareita Tarkasteltavan systeemin ja lämpömittarin välinen lämpötilaero saa aikaan jonkin fysikaalisesti mitattavan muutoksen Käytännössä kuitenkin huomaamme, että erityyppiset lämpömittarit eivät tarkalleen anna samoja lukemia miksi?

28 Muita lämpömittareita Pt 4 He:n kylläisen höyryn paine RuO 2 Sensorin resistanssi lämpötilan funktiona Lämpötilaa heijastavan termometrisen suhteen ei välttämättä täydy käyttäytyä lineaarisesti lämpötilan funktiona; pääasia on, että tiedämme miten tätä ominaisuutta tulkitaan lämpötilan määrityksessä

29 Kaasulämpömittari Manometrin oikeaa jalkaa liikutetaan niin, että kaasun tilavuus pysyy vakiona Kaasun paine saadaan elohopeapatsaan korkeudesta (hydrostaattinen paine) + periaatteessa tarkka (kaasu käyttäytyy kuten ideaalikaasu alhaisessa paineessa) - epäkäytännöllinen, vaatii laitteiston huolellista mekaanista säätämistä

30 Veden kolmoispiste Nykyinen kansainvälinen lämpötilastandardi (1954) T tr = 273,16 K p tr = 0,61 kpa Kolmoispiste on se termodynaaminen (p,t)-piste, jossa aineen kaikki kolme perusolomuotoa kiinteä, neste ja kaasu ovat samanaikaisesti termodynaamisessa tasapainossa toistensa kanssa

31 Lämpösiirron muotoja Lämmön johtuminen Lämmön kuljettuminen (konvektio) Säteily

32 Lämpökapasiteetista Yleisesti ottaen C on lämpötilan funktio Nestemäiselle vedelle c w 4186 J kg -1 K -1 (vrt. energian yksikkö kalori: 1 cal = 4,19 J)

33 Latentti lämpö Tiettyihin faasimuutoksiin (esim. tavalliset olomuodon muutokset) liittyy lämpömäärä, jonka systeemi absorboi muutoksen aikana vakiolämpötilassa Koska systeemin siirretään lämpöä, mutta sen lämpötila ei muutu, tästä käytetään nimitystä latentti (piilevä) lämpö

34 Esimerkki: vesi

35 Lopuksi: Avogadron luku à la Kelvin 1. Otetaan lasi vettä ja merkitään kukin lasissa oleva vesimolekyyli taikakynällä. 2. Kaadetaan vesi lasista mereen ja annetaan molekyylien sekoittua täydellisesti koko Maan vesistöön. 3. Otetaan merestä lasi vettä. Kuinka monta taikakynällä merkittyä vesimolekyyliä lasissa on?