Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka"

Juha Ketonen
7 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

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 2

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 = ( ,15) K = 298,15 K 298 K mrahikka@hyl.edu.hel.fi 3

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 "l = l# $ "T = 1000m $12$10 %6 1 K $20K = 0,24 m [ ] = 1 K mrahikka@hyl.edu.hel.fi 4

5 Paine p = F A Kappaleen/systeemin kohdan ominaisuus, joka kuvailee kyseiseen kohtaan kohdistuvaa puristusvoimakkuutta. Paineella ei ole suuntaa. Voimalla on. p " # [ ] = F $ A % &' = N m 2 = kgm s 2 m 2 = kg = Pa = pascal 2 ms mrahikka@hyl.edu.hel.fi 5

6 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 p = F = mg = 0,35kg!9,81m/s2 A A 0,17 m!0,22 m " 91,80 N/m 2 " 92 Pa mrahikka@hyl.edu.hel.fi 6

7 Hydrostaattinen paine Nesteen tai kaasun omasta painosta aiheutuva paine. Normaali ilmanpaine Maan pinnalla p 0 = Pa 101,3 kpa Hydrostaattinen paine syvyydellä h p h = "gh mrahikka@hyl.edu.hel.fi 7

8 paine-esimerkki 10 metrin syvyydellä hydrostaattinen paine on p h = "gh = 1000kg / m 2 # 9,81m / s 2 #10m = Pa = 98 kpa. Kokonaispaine p = p o + p h " Pa Pa = Pa " 200 kpa = 2 bar mrahikka@hyl.edu.hel.fi 8

9 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

10 Ideaalikaasun tilayhtälö Toimii harvalle kaasulle riittävän kuumassa eli kaukana tiivistymisestä (Tpfaasiavaruudessa). pv = nrt p 1 V 1 T 1 = p 2V 2 T 2

11 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? mrahikka@hyl.edu.hel.fi 11

12 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

13 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 mrahikka@hyl.edu.hel.fi 13

14 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 mrahikka@hyl.edu.hel.fi 14

15 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? C = Q!T [ C] = J K Q = C!T mrahikka@hyl.edu.hel.fi 15

16 Ominaislämpökapasiteetti Aineelle (alkuaineet, yhdisteet, metalliseokset jne.) ominainen suure, joka kuvaa kuinka paljon energiaa tarvitaan lämpötilan nostamiseen massayksikköä kohden. c = Q m!t c [ ] = J kgk Q = cm!t mrahikka@hyl.edu.hel.fi 16

17 Ominaissulamislämpö ja ominaishöyrystymislämpö Aineelle ominaisia vakioita, jotka kuvaavat kuinka paljon energiaa tarvitaan tietyn massamäärän sulattamiseen tai höyrystämiseen. s = Q s m r = Q h m Q s = sm Q h = rm s [ ] = r [ ] = J kg mrahikka@hyl.edu.hel.fi 17

18 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." Q =!U +W 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." mrahikka@hyl.edu.hel.fi 18

19 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?

20 Termodynamiikaan 2. pääsääntö eli energian huonontumisen laki Eristetyn systeemin prosessi etenee kohti suurinta todennäköisyyttä eli suuntaan jossa entropia kasvaa." Luonnon prosesseissa osa energiasta muuttuu lämpöenergiaksi (rakenneosien liike-energiaksi)."

Samankaltaiset tiedostot

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi. Lämpöoppi Termodynaaminen systeemi Tilanmuuttujat (suureet) Lämpötila T (K) Absoluuttinen asteikko eli Kelvinasteikko! Paine p (Pa, bar) Tilavuus V (l, m 3, ) Ainemäärä n (mol) Eristetty systeemi Ei ole