S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

Samankaltaiset tiedostot
Oletetaan kaasu ideaalikaasuksi ja sovelletaan Daltonin lakia. Kumpikin seoksen kaasu toteuttaa erikseen ideaalikaasun tilanyhtälön:

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

S , Fysiikka III (ES) Tentti Tentti / välikoeuusinta

Integroimalla ja käyttämällä lopuksi tilanyhtälöä saadaan T ( ) ( ) H 5,0 10 J + 2,0 10 0,50 1,0 10 0,80 Pa m 70 kj

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

S , Fysiikka III (ES) Tentti Tentti / välikoeuusinta. Laaditaan taulukko monisteen esimerkin 3.1. tapaan ( nj njk Pk

Käytetään lopuksi ideaalikaasun tilanyhtälöä muutoksille 1-2 ja 3-1. Muutos 1-2 on isokorinen, joten tilanyhtälöstä saadaan ( p2 / p1) = ( T2 / T1)

V T p pv T pv T. V p V p p V p p. V p p V p

ln2, missä ν = 1mol. ja lopuksi kaasun saama lämpömäärä I pääsäännön perusteella.

Kaasu 2-atominen. Rotaatio ja translaatiovapausasteet virittyneet (f=5) c. 5 Ideaalikaasun tilanyhtälöstä saadaan kaasun moolimäärä: 3

X JOULEN JA THOMSONIN ILMIÖ...226

Vauhti = nopeuden itseisarvo. Nopeuden itseisarvon keskiarvo N:lle hiukkaselle määritellään yhtälöllä

Ensimmäinen pääsääntö

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

Entalpia - kuvaa aineen lämpösisältöä - tarvitaan lämpötasetarkasteluissa (usein tärkeämpi kuin sisäenergia)

η = = = 1, S , Fysiikka III (Sf) 2. välikoe

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

1. Laske ideaalikaasun tilavuuden lämpötilakerroin (1/V)(dV/dT) p ja isoterminen kokoonpuristuvuus (1/V)(dV/dp) T.

T H V 2. Kuva 1: Stirling kiertoprosessi. Ideaalisen Stirlingin koneen sykli koostuu neljästä osaprosessista (kts. kuva 1):

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

VIII KIERTOPROSESSIT JA TERMODYNAAMISET KONEET 196

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

1240eV nm. 410nm. Kun kappaleet saatetaan kontaktiin jännite-ero on yhtä suuri kuin työfunktioiden erotus ΔV =

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

Clausiuksen epäyhtälö

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

Luku6 Tilanyhtälö. Ideaalikaasun N V. Yleinen aineen. paine vakio. tilavuus vakio

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

Venymälle isotermisessä tilanmuutoksessa saadaan dl = α LdT + df = df AE AE Ulkoisen voiman tekemä työ saadaan integroimalla δ W = FdL :

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ

S , Fysiikka III (S) I välikoe Malliratkaisut

LHSf5-1* Osoita, että van der Waalsin kaasun tilavuuden lämpötilakerroin on 2 γ = ( ) RV V b T 2 RTV 2 a V b. m m ( ) m m. = 1.

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

6. Yhteenvetoa kurssista

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

S FYSIIKKA III (ES) Syksy 2004, LH 10. Ratkaisut

Luento 4. Termodynamiikka Termodynaamiset prosessit ja 1. pääsääntö Entropia ja 2. pääsääntö Termodynaamiset potentiaalit

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

(1) (2) Normalisointiehdoksi saadaan nytkin yhtälö (2). Ratkaisemalla (2)+(3) saamme

4. Termodynaamiset potentiaalit

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Sisältö: 1 vk. S Fysiikka III (EST 6 op) S Modernin fysiikan tietokoneharjoitukset (Sf, 2 op )

Ekvipartitioperiaatteen mukaisesti jokaiseen efektiiviseen vapausasteeseen liittyy (1 / 2)kT energiaa molekyyliä kohden.

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

4. Termodynaamiset potentiaalit

Kvanttifysiikan perusteet 2017

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

LH9-1 Eräässä prosessissa kaasu laajenee tilavuudesta V1 = 3,00 m 3 tilavuuteen V2 = 4,00 m3. Sen paine riippuu tilavuudesta yhtälön.

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

Spontaanissa prosessissa Energian jakautuminen eri vapausasteiden kesken lisääntyy Energia ja materia tulevat epäjärjestyneemmäksi

Ohjeellinen pituus: 2 3 sivua. Vastaa joko tehtävään 2 tai 3

Ideaalikaasulaki. Ideaalikaasulaki on esimerkki tilanyhtälöstä, systeemi on nyt tietty määrä (kuvitteellista) kaasua

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

VII LÄMPÖOPIN ENSIMMÄINEN PÄÄSÄÄNTÖ

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

1 Clausiuksen epäyhtälö

PHYS-A0120 Termodynamiikka. Emppu Salonen

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

4. Termodynaamiset potentiaalit

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

a) Oletetaan, että happi on ideaalikaasu. Säiliön seinämiin osuvien hiukkasten lukumäärä saadaan molekyylivuon lausekkeesta = kaava (1p) dta n =

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

KAASULÄMPÖMITTARI. 1. Työn tavoitteet. 2. Työn taustaa

Oikeat vastaukset: Tehtävän tarkkuus on kolme numeroa. Sulamiseen tarvittavat lämmöt sekä teräksen suurin mahdollinen luovutettu lämpö:


Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

Luku Pääsääntö (The Second Law)

Termodynamiikan avulla kuvataan vain tasapainotiloja - muuten tilanfunktioilla ei ole merkitystä.

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus alkavalle viikolle Ratkaisuehdotuksia (7 sivua) (S.M)

7 Termodynaamiset potentiaalit

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Miehitysluvuille voidaan kirjoittaa Maxwell Boltzmann jakauman mukaan. saamme miehityslukujen summan muodossa

Termodynamiikka. Termodynamiikka on outo teoria. Siihen kuuluvat keskeisinä: Systeemit Tilanmuuttujat Tilanyhtälöt. ...jotka ovat kaikki abstraktioita

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

b g / / / / H G I K J =. S Fysiikka (ES) Tentti

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

S Fysiikka III (Est) Tentti

Lämmityksen lämpökerroin: Jäähdytin ja lämmitin ovat itse asiassa sama laite, mutta niiden hyötytuote on eri, jäähdytyksessä QL ja lämmityksessä QH

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Entrooppiset voimat. Entrooppiset voimat Vapaan energian muunnoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

Venymälle isotermisessä tilanmuutoksessa saadaan AE AE

Tehtävä 1. Tasapainokonversion laskenta Χ r G-arvojen avulla Alkyloitaessa bentseeniä propeenilla syntyy kumeenia (isopropyylibentseeniä):

S Fysiikka III (Est) 2 VK

S , FYSIIKKA III (ES), Syksy 2002, LH 4, Loppuviikko 39. Partitiofunktiota käyttäen keskiarvo voidaan kirjoittaa muotoon

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

λ x = 0,100 nm, Eγ = 0,662 MeV, θ = 90. λ λ+ λ missä ave tarkoittaa aikakeskiarvoa.

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

S Fysiikka III (EST), Tentti

Muita lämpökoneita. matalammasta lämpötilasta korkeampaan. Jäähdytyksen tehokerroin: Lämmityksen lämpökerroin:

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

Transkriptio:

S-445, Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta 43 välikokeen alue ristetyssä astiassa, jonka lämötila idetään, kelvinissä, on nestemäistä heliumia tasaainossa helium kaasun kanssa Se on erotettu toisesta heliumsäiliöstä, jossa on helium kaasua 3 K lämötilassa ohuella kalvolla, jossa on ieni reikä Osoita, että tasaainotilassa jälkimmäisen säiliön aine on = a3 /, f /, missä on, K lämötilassa olevan säiliön aine Ratkaisu asaainotilanteessa reiän läi virtaava molekyylivuo on nolla nergiavuon ei tarvitse olla nolla sillä energiabalanssia ylläidetään akottamalla kaasusäiliöt vakiolämötilaan lämökylvyn avulla asaainotilanteessa j = nvave = n v ave = j 4 4, () missä indeksittömät suureet viittaavat 3 K lämötilassa olevaan osaan ja alaindeksillä varustetut suureet, K lämötilassa olevaan osaan Oletamme,että kaasu on harvaa ja käytämme ideaalikaasun tilanyhtälöä ilanyhtälöstä P = Nk fi = nk fi n = k oisaalta noeuden itseisarvon keskiarvolle ätee v ave = F H 8k m I K / Sijoittamalla yhtälöön () saamme 4 k F H I = F I K H K / / 8k 8k m 4 k m josta ratkaisemalla a f = 3 /, / ätä kutsutaan termomolaariseksi ainesuhteeksi Osoita, että hyvin alhaisissa lämötiloissa N elektronin FD systeemin energia on U = ( 3 / 5) e Oastus: oleta, että kaikki tilat ovat täynnä fermienergiaan saakka ja käytä tilatiheyttä N F / 3/ m / g ( ) = 3 h π

Ratkaisu Sisäenergia on määritelmän mukaan U = nii = g( ) f( ) d i () missä F F ( ) = b g sillä matalissa lämötiloissa µ F Huomataan, että kun e F / k ( )=, kun F + ja F ( )= kun > F Yhtälö () voidaan siis kirjoittaa U = F g ( ) d () Sijoittamalla tilatiheys m g( ) π h 3 / / = saadaan / 3 3 / F / 3 / m 3 / m U = d == / 3 3 π h π h 5 5 / F (3) Hiukkasmäärä N voidaan lausua Fermienergian avulla seuraavasti: N / 3 / F / 3 / m / m 3 / = g( ) f( ) d = d = 3 3 F h h 3 (4) Yhtälöstä (4) saadaan / m 3 / 3 3 / = N 3 F π h Sijoittamalla tämä lauseke (3):n saadaan U N F = 3 5 3 Ulkoisessa magneettikentässä B systeemin elektroneilla on kaksi mahdollista energiatasoa =- m BB, =+ m BB, missä m B on Bohrin magnetoni Systeemi on termisessä tasaainossa lämötilan ollessa Olettaen, että elektronien magneettisten alitilojen miehittyminen noudattaa MB statistiikkaa a) osoita, että artitiofunktio on B Z cosh m B k = F H I K

ja b) johda lauseke suureille U, S ja M sitä energiatasojen miehitusluvut lämötilan ja kenttävoimakkuuden funktiona käyttäen Maxwell Boltmann jakaumaa Ratkaisu: Merkitään ε = µ B B Alemman tilan energia on siis = ε ja ylemmän = ε Partitiofunktio lasketaan tavalliseen taaan: Z = e + e = cosh ( ε / k) = cosh k ε / k ε / k µ BB b) Miehitysluvut : N N N n = e = e ; n = e Z cosh ε/ k cosh ε / k + ε / k ε / k ε / k ( ) ( ) c) Sisäenergia : d sinh ( ε / k ) U = Nk ( ln Z ) = Nε = Nε tanh ε / k d cosh ε / k ( ) ( ) Huomataan, että sisäenergia voitaisiin laskea myös lausekkeesta: N + ε / k N ε / k U = n + n = ( ε) e + ( ε) e = Nε tanh ( ε / k) Z Z Magnetoituminen (lasketaan ositiiviseksi magneettikentän suuntaan) M = nµ B nµ B = µ B( n n) = µ BN tanh ( ε/ k) utkimalla eksonenttifunktion käyttäytymistä :n funktiona itämällä B vakiona huomataan, että kun U Nε ja M Nµ B ts kaikki magneettiset momentit asettuvat kentän suuntaan alhaisissa lämötiloissa astaavasti kun huomataan, että U ja M Lämöliike tuhoaa ulkoisen kentän luoman orientaatio efektin ntroiaa laskettaessa on huomattava entroian jakautuminen translaatioliikkeen ja hiukkasen sisäisen liikkeen entroioiksi välikokeen alue 4 arkastellaan kahta identtistä kaaletta, molemien yhteinen ominaislämö c ja alkulämötilat ja, missä > Kaaleet on lämöeristetty ymäristöstä a) Nämä kaaleet toimivat ylemänä, ja alemana lämövarastona Carnotin koneelle, joka tekee useita differentiaalisen ieniä lämömääriä siirtäviä kierroksia siirtäen lämöä kaaleiden välillä, kunnes niiden lämötila on tasaantunut a) Osoita, että kaaleiden loulämötila on = b) Osoita, että Carnotin koneen tekemän työn määrä on yhteensä ( ) / / / ( ) W = νc c) Mikä on loulämötila, jos kaaleet hakeutuvat adiabaattisesti tasaainotilaan tekemättä työtä?

Ratkaisu a) Maksimityö liittyy aina reversiibeliin rosessiin Koneen työaineen ja lämövarastojen yhteinen entroia on koko lämötilojen tasaantumisen ajan vakio Jos lämöä siirretään kaaleiden välillä Carnotin koneella, kaaleiden ja työaineen entroia ysyy vakiona rään kierroksen aikana kuumemman kaaleen entroia ienee määrällä dsy = d QY / Missä on kuumemman kaaleen lämötila kyseisen kiertorosessin aikana Jos loulämötila on niin > > Samalla kylmemmän kaaleen entroia kasvaa määrällä ds A = d QA /, missä on kylmemmän kaaleen lämötila kyseisen kiertorosessin aikana, < < Carnotin rosessissa entroiamuutosten summa =, joten kunkin kierroksen aikana ätee dsy + ds A = fi dqy / = - dqa / Oletamme nyt, että lämmön siirtyminen koneen ja lämövarastojen välillä taahtuu vakioaineessa Kuumemman kaaleen entroian kokonaismuutos on tällöin dq d DSY = = nc = nc ln, ja kylmemmän kaaleen dq d DS A = = nc = nc ln Merkitään muutokset yhtä suuriksi, ja ratkaistaan loulämötila: nc ln =-nc ln fi =- fi = b) Koneen tekemä työ saadaan ensimmäisen ääsäännön avulla ( ) ( ) ( ) W = Qy + QA = νc + νc = νc + = νc c / / ( + ) = ν ( ) c) Jos kaaleet hakeutuvat termodynaamiseen tasaainoon tekemättä työtä, kuumemman kaaleen luovuttama lämömäärä on yhtä suuri kun kylmemmän kaaleen saama lämömäärä: b g b g b g/ nc - = nc - fi = + 5 Jäähdytyskoneena toimiva Carnot n kone luovuttaa, kj lämöä huoneilmaan samalla, kun koneen moottori tekee työtä, J Huoneilman lämötila on 5 C a) Kuinka aljon lämöä kone ottaa alemmasta lämösäiliöstä? b) Mikä on alemman lämösäiliön lämötila? Ratkaisu Q =, kj, W =, J, = 5 C Y ext Y a) nergian säilymislain mukaan QA + Wext = QY QA = QY Wext, J, J = 8 J b) Jäähdytyskoneen tehokerroin on

ε J QY, kj = εl = 9, W, J oisaalta Carnot n koneelle A ε J ε = = 5, C ε + J A Y Y A J Q Y 3 3 ν R ln 3 Y 3 W W 5,7 W 5,7 W = = = = η C A 5,7 5,7 Y 3 5,7 W Y = 3 K 3 ν Rln 5,7 Y 7,46 K A = 3 3 7 K 5,7 5,7 6 Suljetussa metallisäiliössä, jonka seinät oletetaan ideaalisiksi lämmönjohteiksi, on ν moolia kaasua (ominaislämö vakiotilavuudessa c) lämötilassa Säiliö saatetaan kosketuksiin hyvin suuren lämösäiliön kanssa, jonka lämötila on =,8 a) Laske kaasun entroian muutos olettaen, että lämösäiliön lämötila ei muutu b) utki, onko rosessi reversiibeli vai ei Ratkaisu a) Oletetaan, että muutos on kvasistaattinen Kaasun entroian muutos on δ Q SK = Kaasu on suljetussa astiassa, joten sen tilavuus ysyy jäähtymisen aikana vakiona eli muutos on isokoorinen Kaasun saama lämö on siten δq = νc d ntroian muutokseksi saadaan d,8 K ν ν ln ν ln, 3ν S = c = c = c c b) Reversiibeliyden tutkimiseksi tarkastellaan kaasusäiliön ja ymäristön eli suuren lämösäiliön muodostamaa systeemiä Olettamuksen mukaan lämösäiliön lämötila ei muutu sen saadessa kaasulta lämömäärän ( ) Q = ν c

Lämösäiliön entroian muutos on Q S Ym = = ν c Kaasun ja ymäristön yhteenlaskettu entroian muutos on täten S = S + S = ν c + νc + = νc K Ym ln ln,8,7,8 ntroia kasvaa, joten muutos on irreversiibeli AKIOIA -3-7 -7-7 me = 9, 9 kg m =, 675 kg mn =, 6748 kg amu =, 665 kg -9 8-34 -4 - e =, 6 C c =, 9979 m / s h =, 545 Js m B = 9, 73 J - - - -6 - e = 8, 8544 CN m Ke = / 4e m =, 566 mkgc Km = m / 4 - - 3 - - - -3 g = 6, 67 Nm kg NA = 6, 5 mol R = 8, 343 JK mol k =,385 JK -