= (nopeus) d(impulssi)



Samankaltaiset tiedostot
PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

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

KEMA KEMIALLINEN TASAPAINO ATKINS LUKU 7

Matematiikan tukikurssi

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

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

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

2.2 Täydellinen yhtälö. Ratkaisukaava

Sähköstaattisen potentiaalin laskeminen

Matematiikan tukikurssi

SMG-4200 Sähkömagneettisten järjestelmien lämmönsiirto Ehdotukset harjoituksen 4 ratkaisuiksi

Lukion. Calculus. Polynomifunktiot. Paavo Jäppinen Alpo Kupiainen Matti Räsänen Otava PIKATESTIN JA KERTAUSKOKEIDEN TEHTÄVÄT RATKAISUINEEN

14.1. Lämpötilan mittaaminen

MS-A Matriisilaskenta Laskuharjoitus 3

MAA10 HARJOITUSTEHTÄVIÄ

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

Luku Pääsääntö (The Second Law)

6. Yhteenvetoa kurssista

Luonnollisten lukujen laskutoimitusten määrittely Peanon aksioomien pohjalta

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

Aluksi Kahden muuttujan lineaarinen epäyhtälö

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

Esimerkkejä derivoinnin ketjusäännöstä

Tämän päivän ohjelma: ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

Konventionaalisessa lämpövoimaprosessissa muunnetaan polttoaineeseen sitoutunut kemiallinen energia lämpö/sähköenergiaksi höyryprosessin avulla

4A 4h. KIMMOKERROIN E

monissa laskimissa luvun x käänteisluku saadaan näyttöön painamalla x - näppäintä.

1 Clausiuksen epäyhtälö

SAIPPUALIUOKSEN SÄHKÖKEMIA JOHDANTO

Huomaa, että 0 kitkakerroin 1. Aika harvoin kitka on tasan 0. Koska kitkakerroin 1, niin

Clausiuksen epäyhtälö

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

Faasipiirrokset, osa 1: Laatiminen sekä 1-komponenttipiirrosten tulkinta

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Johdatus yliopistomatematiikkaan, 2. viikko (2 op)

SIS. Vinkkejä Ampèren lain käyttöön laskettaessa magneettikenttiä:

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

Valtteri Lindholm (Helsingin Yliopisto) Horisonttiongelma / 9

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

4. Termodynaamiset potentiaalit

Funktion raja-arvo 1/6 Sisältö ESITIEDOT: reaalifunktiot

Luku 8 EXERGIA: TYÖPOTENTIAALIN MITTA

(x 0 ) = lim. Derivoimissääntöjä. Oletetaan, että funktiot f ja g ovat derivoituvia ja c R on vakio. 1. Dc = 0 (vakiofunktion derivaatta) 2.

14. Pyörteettömät ja lähteettömät vektorikentät; potentiaali

2.7 Neliöjuuriyhtälö ja -epäyhtälö

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 7,

Dynaamisen järjestelmän siirtofunktio

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

Projektin arvon määritys

Thermodynamics: An Engineering Approach, 7 th Edition Yunus A. Cengel, Michael A. Boles McGraw-Hill, Luku 7 ENTROPIA

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

KELAN INDUKTANSSI VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Miika Manninen, n85754 Tero Känsäkangas, m84051

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 1: Moniulotteiset integraalit

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku 5. harjoitukset/ratkaisut. Jatkuvat jakaumat

Mustan kappaleen säteily

( ) ( ) ( ) ( ( ) Pyramidi 4 Analyyttinen geometria tehtävien ratkaisut sivu 271 Päivitetty a) = keskipistemuoto.

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

2. Termodynamiikan perusteet

4. Termodynaamiset potentiaalit

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

Eksponenttifunktion Laplace muunnos Lasketaan hetkellä nolla alkavan eksponenttifunktion Laplace muunnos eli sijoitetaan muunnoskaavaan

Harvan kaasun sisäenergia ja lämpökapasiteetit

y (0) = 0 y h (x) = C 1 e 2x +C 2 e x e10x e 3 e8x dx + e x 1 3 e9x dx = e 2x 1 3 e8x 1 8 = 1 24 e10x 1 27 e10x = e 10x e10x

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2013 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Luento 6. June 1, Luento 6

SMG-4300: Yhteenveto toisesta luennosta. Miten puolijohde eroaa johteista ja eristeistä elektronivyörakenteen kannalta?

Matematiikan tukikurssi 3.4.

Ratkaisuehdotukset Kesäyliopisto Kuvassa on esitetty erään ravintolan lounasbuffetin kysyntäfunktio.

30 + x ,5x = 2,5 + x 0,5x = 12,5 x = ,5a + 27,5b = 1,00 55 = 55. 2,5a + (30 2,5)b (27,5a + 27,5b) =

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Taloustieteen perusteet 31A Mallivastaukset 3, viikko 4

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

- Termodynamiikka kuvaa energian siirtoa ( dynamiikkaa ) systeemin sisällä tai systeemien kesken (vrt. klassinen dynamiikka: kappaleiden liike)

Esimerkki 8. Ratkaise lineaarinen yhtälöryhmä. 3x + 5y = 22 3x + 4y = 4 4x 8y = r 1 + r r 3 4r 1. LM1, Kesä /68

Chapter 7. Entropic forces at work

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

DYNAMIIKKA II, LUENTO 5 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

4. Termodynaamiset potentiaalit

Luento 9: Potentiaalienergia

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

DYNAAMISET SYSTEEMIT kevät 2000

OHJ-1151 Ohjelmointi IIe

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Oletetaan, että funktio f on määritelty jollakin välillä ]x 0 δ, x 0 + δ[. Sen derivaatta pisteessä x 0 on

EUROOPAN YHTEISÖJEN KOMISSIO. Ehdotus: NEUVOSTON ASETUS. neljännesvuosittaista julkista velkaa koskevien tietojen laatimisesta ja toimittamisesta

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 9: Greenin lause

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

Epäyhtälön molemmille puolille voidaan lisätä sama luku: kaikilla reaaliluvuilla a, b ja c on voimassa a < b a + c < b + c ja a b a + c b + c.

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

ARVIOINTIPERIAATTEET

4.1 Mitä autopaikalle saa pysäköidä?

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 11: Taso- ja tilavuusintegraalien sovellutuksia

Transkriptio:

1 Falk Ruppel, Entropiasta Energiamuodot Energian vaihto tapahtuu aina määrätyissä energiamuodoissa. Jokainen energiamuoto on sitä kautta määritelty, että vaihdettu energia on sidottu johonkin määrättyyn suureeseen. Jokainen energiamuoto on suureparilla tunnistettu. Rotaatioenergia Siirtoenergia Liike-energia Kompressioenergia Pintaenergia Sähköenergia Kemiallinen energia = Ω dl = Ω x L x + Ω y L y + Ω z L z = (kulmanopeus) d(kiertoimpulssi) = -F dr = -F x dx + -F y dy + -F z dz = (-voima) d(paikkavektori) = v dp = v x dp x + v y dp y + v z dp z = (nopeus) d(impulssi) = -p dv = (- paine) d(tilavuus) = σ da = (pintajännitys) d(pinta-ala) = φ dq = (sähköpotentiaali) d(sähkövaraus) = μ dn = (kemiallinen potentiaali) d(ainemäärä) Lämpöenergia Sanaa lämpö käytetään jokapäiväisessä elämässä ja valitettavasti myös fysiikassa usein tavalla, jolloin se ei merkitse energiamuotoa. Energiamuoto lämpö = T ds = (absoluuttinen lämpötila) d(entropia) Entropia on määrällinen suure kuten energia, impulssi, kiertoimpulssi, sähkövaraus, ainemäärä. Sillä on kuten edellä luetelluilla ominaisuus, että se voi virrata. Virtaava entropia määrittelee entropiavirran ja entropiavirrantiheyden.

2 Lämpövirta ja entropiavirta Lämpövirta = T ds/dt = T entropiavirta. Lämpövirta on entropiavirran kanssa kytkeytyvä energiavirta. Tarkastellaan lämpövirtausta seinämän läpi. Energiavirta T ds/dt (= lämpövirta) ja entropiavirta ds/dt seinän läpi, jossa pintojen lämpötilat ovat T 1 ja T 2 (T 1 > T2). Lämpövirralla esitettynä tasapaksulla nuolella, on jokaisessa poikkileikkauksessa sama paksuus. Entropiavirta sitä vastoin lisääntyy entropiatuoton johdosta. Tämän osoittaa alemman nuolen lisääntyvä paksuus. (1) Lämpövirta = T 1 ds 1 /dt = T 2 ds 2 /dt Yhtälöstä (1) voidaan päätyä myös muotoon: (2) ds 2 /dt ds 1 /dt = (T 1 T 2 )/T 2 ds 1 /dt = (T 1 T 2 )/T 1 T 2 T 1 ds 1 /dt = (T 1 T 2 )/T 1 T 2 lämpövirta ds 2 /dt on entropiavirta ulos seinästä, ds 1 /dt entropiavirta seinään. Lämpötila-arvoilla T 1 > T 2 lisääntyy entropia kaavan (2) mukaan entropian virratessa seinämän läpi. Jos entropia virtaa lämpöä johtavan aineen läpi, niin lisääntyy entropia, tällöin syntyy entropiaa. Jos entropian sisään virtausta pidetään vakiona, sillä aikaa kun aineen lämmönjohtavuus ja siten myös lämpötila muuttuvat, niin ovat entropian tuotto ja lämpötilaero sitä suurempia, mitä huonommin aine johtaa lämpöä.

3 Systeemi ja sen energianvaihto Systeemi pistemäinen kappale de = v dp Systeemi: pistemäinen kappale + kenttä de = v dp F dr Systeemi: rotaatiokykyinen kappale + kenttä de = v dp F dr + Ω dl Systeemi: rotaatio- ja lämmönvaihtokykyinen kappale + kenttä de = v dp F dr + Ω dl + T ds Systeemi: termodynaaminen de = T ds p dv + μ 1 dn 1 + μ 2 dn 2 + + μ m dn m Gibbsin funktio E = E(P, r, L, S, V, A, n 1,, n m ) v x = E/ P x, v y = E/ P y, v z = E/ P z -F x = E/ x, -F y = E/ y, -F z = E/ z x = E/ L x, y = E/ L y, z = E/ L z T = E/ S, -p = E/ V, σ = E/ A μ 1 = E/ n 1, μ m = E/ n m

4 Entropia Systeemi sisältää jokaisessa tilassa määrätyn määrän entropiaa, niin kuin se sisältää energiaa ja ainemääriä. Jokainen muutos ds, jonka systeemin entropia kokee, on koostunut entropian vaihdosta ja entropian tuotosta (3) ds = ds vaihto + ds tuotto Koska mitään entropian häviämistä ei ole, voidaan tämä ilmaista riippuvuudella (4) ds tuotto 0. Jokainen entropian pieneneminen ds 0, on yhtälöiden (3) ja (4) johdosta mahdollinen, kun ds vaihto 0 ja ds tuotto on pienempi kuin edellisen itseisarvo eli entropiaa virtaa ulos enemmän kuin entropiaa systeemissä syntyy. Reversiibelisyys ja irreversiibelisyys Systeemin entropiamuutoksen hajottaminen (3):n mukaan antaa aiheen jakaa yleinen prosessirealisoituminen kahteen luokkaan. Ensimmäinen on reversiibeli prosessirealisoituminen; se on tunnettu ehdosta dstuotto = 0. Toinen on irreversiibeli prosessirealisoituminen, se käsittää kaikki muut prosessien realisoitumiset; niille on voimassa dstuotto 0. Lämmön käsite Clausiuksella Entropian hajottaminen yhtälöllä (3) vaihto- ja tuotto-osaan antaa aiheen kirjoittaa energiamuodolle TdS lauseke (5) TdS = TdS vaihto + TdS tuotto. Energiamuoto TdS, lämpö, jakautuu silloin vaihtuvaan lämpöön (= TdS vaihto ) ja tuotettuun lämpöön (= TdS tuotto ). Niin arveluttava kuin tämä jako on sillä ei ole variaabelia S vaihto eikä variaabelia S tuotto, vaan ainoastaan variaabeli S näyttelee se kuitenkin Clausiuksella termodynamiikan esittelyssä enemmän tai vähemmän eksplisiittistä roolia. Kaikki harkinta, joissa systeemiin sen jokaisessa lämpötilassa tuodaan tai siitä viedään lämpöä, rakentuu sille, että lämpö määritellään riippuvuudella (6) lämpö = Q = TdS vaihto.

5 Tällöin yhtälön (3) mukaan (7) ds = Q/T + ds tuotto. Reversiibelissä realisoinnissa on ds tuotto = 0, siis on (8) ds = Q/T reversiibelissä prosessirealisoinnissa. Irreversiibelissä prosessirealisoinnissa on sitä vastoin ds tuottto 0, niin että yhtälöstä (7) seuraa (9) ds Q/T irreversiibelissä prosessirealisoinnissa. Yhtälöt (8) ja (9) ovat Clausiuksen antamat formuloinnit entropiamuutosten kytkeytymiselle lämmön Q kansa reversiibelisti ja irreversiibelisti realisoiduissa prosesseissa. Tämä merkitsee sitä, että lämpö Q traditionaalisen lämpöopin mielessä on ainoastaan vaihdetun entropian kanssa kytköksissä. Tämän määritelmän Clausius otti esitermodynaamiselta ajalta, jossa lämpöä pidettiin häviämättömänä aineena. Niin paradoksaaliselta kuin se tuntuukin, tämä lämmön Q määrittely ei kytkeydy prosessien irreversiibeleihin, vaan reversiibeleihin realisointeihin. Tässä kirjassa (Falk Ruppel, Energie und Entropie) käytetään sanaa lämpö synonyyminä energiamuodon kanssa, riippumatta siitä, tuleeko muutos ds vaihdosta tai tuotosta. Päinvastoin kuin yhtälössä (6) kytkeytyy sana lämpö, ei ainoastaan vaihdettuun, vaan myös tuotettuun entropiaan. Jos lämpö määritellään näin eikä Clausiuksen ottamalla tavalla, ei luonnollisesti riippuvuus (9) ole voimassa, vaan riippuvuus (8) on voimassa yleisesti määritelmänä lämmölle Q, riippumatta siitä, realisoituuko prosessi reversiibelisti tai irreversiibelisti.

6 Sanan lämpö totunnainen käyttö Sana lämpö tulee puhekielessä ja luonnontieteiden totunnaisessa käytössä kytketyksi ei ainoastaan suureeseen TdS vaihto, vaan myös osittain suureeseen TdS tuotto. Sanomme osittain suureen TdS tuotto kanssa, sillä valitettavasti se ei ole TdS tuotto itse, mikä lämpönä käsitetään, vaan osa siitä. Mitä tällä osalla tarkoitetaan, tulee selväksi, jos pidetään mielessä, että entropia S ei ole ainoastaan T:n funktio, vaan Gibbsin perusyhtälön mukaan riippuu myös vielä (n-1):stä muusta variaabelista, joiksi nyt otetaan ekstensiiviset muuttujat X 2,, X n. Silloin on (10) TdS(T, X 2,,X n ) = T S/ T dt +T n 1 S/ Xi dxi. Jos jonkin systeemin entropiamuutos ds lepää tuotolla, kuten on tavallista, yhtälön (10) vasenta puolta ei pidetä lämpönä, vaan ainoastaan oikean puolen ensimmäistä termiä. Ainoastaan dt:n kanssa yhteen kytkeytynyt termi on se, joka on lämpönä vakiintunut. Tämä johtuu siitä, että jonkin prosessin täysin irreversiibelissä realisoinnissa, jolloin on ds = ds tuotto, systeemin adiabaattisella eristyksellä ainoastaan ensimmäinen termi johtaa systeemin lämpötilanmuutokseen. Lämpötilanmuutos dt kerrottuna T( S/ T):llä, systeemin lämpökapasiteetilla, käsitetään irreversiibelissä realisoinnissa lämpönä. Termodynamiikan 2. pääsääntö Entropiaa ei voi koskaan hävittää, mutta kyllä tuottaa.