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



Samankaltaiset tiedostot
Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

X JOULEN JA THOMSONIN ILMIÖ...226

Ensimmäinen pääsääntö

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

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

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

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

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.

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

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

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

S , Fysiikka III (ES) Tentti Tentti / välikoeuusinta

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

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

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

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

VII LÄMPÖOPIN ENSIMMÄINEN PÄÄSÄÄNTÖ

Isotermit ja isobaarit. Luku6 Tilanyhtälö. Kriittinen piste. Molekyylien välinen vuorovaikutus. Ideaalikaasun N V. Yleinen aineen

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ

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

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

VIII KIERTOPROSESSIT JA TERMODYNAAMISET KONEET 196

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

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

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

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

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

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

VI TILANYHTÄLÖ

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

VI TILANYHTÄLÖ

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

S FYSIIKKA III (Sf) Syksy 2004, Esimerkkitehtäviä

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

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

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

KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

Fysiikan perusteet. Työ, energia ja energian säilyminen. Antti Haarto

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

Harvan kaasun sisäenergia ja lämpökapasiteetit

2. Termodynamiikan perusteet

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

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

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

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

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

6. Yhteenvetoa kurssista

3Työ. 3.1 Yleinen määritelmä

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Termofysiikan perusteet

PHYS-A0120 Termodynamiikka. Emppu Salonen

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

MAA10 HARJOITUSTEHTÄVIÄ

4. Termodynaamiset potentiaalit

4. Termodynaamiset potentiaalit

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ... 2

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2012 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

7 Termodynaamiset potentiaalit

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

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

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

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

Kuinka entropian käsitteeseen tultiin?

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

energian), systeemi on eristetty (engl. isolated). Tällöin sekä systeemiin siirtynyt

2. Termodynamiikan perusteet

KEMA KEMIALLINEN TASAPAINO ATKINS LUKU 7

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

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

2. Termodynamiikan perusteet

Clausiuksen epäyhtälö

Lämpöopin pääsäännöt

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ... 2

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

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

1 Clausiuksen epäyhtälö

Transkriptio:

I IANYHÄÖ Makroskooinen termodynamiikka tai lyhyesti termodynamiikka kuvaa makroskooisen systeemin lämöilmiöitä tilanmuuttujien (vain muutama, arvot helosti kokeellisesti määrättävissä), tilanfunktioiden ja tilanyhtälön avulla Jos tilanmuuttuja tai funktio on suoraan verrannollinen ainemäärään (esimerkiksi tilavuus, energia, moolimäärä) sitä sanotaan ekstensiiviseksi Jos tilanfunktion tai tilanmuuttujan arvo ei riiu ainemäärästä se on intensiivinen (esimerkiksi aine ja lämötila) ermodynamiikan avulla kuvataan vain tasaainotiloja - muuten tilanfunktioilla ei ole merkitystä Siirtymistä tasaainotilasta toiseen sanotaan tilanmuutokseksi eli rosessiksi ilanmuutos on kvasistaattinen, jos systeemi on koko ajan sisäisessä tasaainossa, tärkeimmät kvasistaattiset tilanmuutokset ovat isoterminen, isobaarinen, isokoorinen ja adiabaattinen tilanmuutos Reaalikaasujen tilanyhtälöt ottavat huomioon: () molekyylien äärellisen tilavuuden (eli hylkivän vuorovaikutuksen suurissa tiheyksissä) ja () vetävän vuorovaikutuksen (koheesio, attraktio) harvoissa kaasuissa Yksinkertaisin mielekäs reaalikaasu on van der Waalsin kaasu: Nk N = a, missä b on molekyylin efektiivinen tilavuus (4 kertaa Nb todellinen tilavuus) ja a on vetävää van der Waalsin voimaa kuvaava arametri Harvan reaalikaasun aine on matalissa lämötiloissa ienemi ja korkeissa lämötiloissa suuremi kuin reaalikaasun Hyvin tiheän reaalikaasun aine on suuremi kuin ideaalikaasun Kriittinen isotermi: tätä alemmissa lämötiloissa kaasu tiivistyy nesteeksi siten, että välivaiheessa on kaksi olomuotoa yhtäaikaisesti läsnä Kriittinen iste: Kriittisen isotermin iste, jossa = 0 ja = 0 an der Waalsin kaasun kriittiset arametrit: = 3Nb, C a = 7 b C C 8 a =, 7 bk

kn N N iriaalikehitelmä = + A( ) + B( ) + an der Waalsin kaasulle A( ) b a / ( k ) ja B( ) b = = Kaasun tilavuuden kokonaisdifferentiaali on d = d + d ilavuuden lämötilakerroin on γ = ja isoterminen kokoonuristuvuus κ = angon ituuden kokonaisdifferentiaali on d = d + df F F F Kimmokerroin E = A ituuden lämötilakerroin α = ästä F 0 seuraa tangon tilanyhtälö = 0 + α 0 ( 0 ) + ( F F0 ), edellyttäen, AE että α ja E eivät riiu voimasta ja lämötilasta Jännityksen muutokseen liittyvä työ ( ) Wext = Fd FdF AE F F = F F = W missä W on systeemin tekemä työ ja Wext ulkoisen AE voiman tekemä työ II ÄMPÖOPIN ENSIMMÄINEN PÄÄ- SÄÄNÖ Systeemiin voidaan tuoda energiaa kahdella erilaisella menetelmällä Jos energia tuodaan mikroskooisina satunnaisina erinä kuten molekyylien välisissä törmäyksissä tai fotonien absorboituessa kaasuun tuotua energia sanotaan lämmöksi Jos taas energia tuodaan siten, että systeemiä rajoittavan innan makroskooinen osa liikkuu, tai muuttaa muotoaan sanotaan, että systeemin energia muuttuu systeemin tekemän työn takia On tärkeää erottaa systeemin tekemä työ W ja ulkoisen agentin (voiman) tekemä työ: W = W ext

yö voi esimerkiksi erustua kaasun laajenemiseen, jolloin se voidaan esittää differentiaalisessa muodossa dw = d Äärellisessä tilanmuutoksessa W = d aajenemistyön lisäksi on olemassa esimerkiksi magnetoitumistyötä Erikoistaauksia: yö isobaarisessa tilanmuutoksessa W = d = d = ( ), yö ideaalikaasun isotermisessä roses- sissa W = kn ln = ν R ln yö ideaalikaasun adiabaattisessa rosessissa W = fν R( ) = U U Kiertorosessi on kahden tai useamman tilanmuutoksen sarja, jonka äätteeksi systeemi alaa alkutilaan ilanmuutosten kuvaajien rajaama alue -tasossa on yhden kierron aikana tehty työ yö on ositiivinen jos rosessi kierretään myötääivään, negatiivinen jos vastaäivään ämöoin I ääsääntö = energian säilymislaki termodynamiikassa: du = δw äärelliselle tilanmuutokselle kirjoitetaan U U = Q W Ominaislämmön määritelmä c, missä x määrittelee sen ν d x tilanmuutoksen, jonka aikana lämötilan kasvu taahtuu ärkeimmät ominaislämmöt: c = ν d ja c = ν d Isokooriselle rosessille du = ν c d ja isobaariselle rosessille dh = ν c d Ideaalikaasulle ominaislämöjen erotus: c c = R ja ominaislämöjen c ( f + ) R suhde: γ = = = +, missä f on efektiivisten vaausasteiden c fr f määrä ja γ adiabaattivakio

U Reaalikaasulle ominaislämöjen erotus on c c = +, ν R an der Waalsin kaasulle c c = Huomaa 3 a ( m b ) / ( Rm ) = / ν on ns moolitilavuus m Adiabaattisessa rosessissa systeemi on rosessin ajan sisäisessä tasaainossa (kvasistaattisuus) ja lisäksi lämöeristetty ymäristöstä Ideaalikaasun adiabaattisen rosessin tilanyhtälö on γ = vakio yö ideaalikaasun adiabaattisessa rosessissa W = fν R( ) = U U III KIEROPROSESSI JA ERMO- DYNAAMISE KONEE ermodynaamiset koneet toimivat ylemmän ja alemman lämövaraston välissä ja siirtävät lämöä niiden välillä sekä tekevät työtä ämövoimakone tekee mahdollisimman aljon työtä ylemmästä lämövarastosta otettua lämömäärää kohden Hyötysuhde on W QY QA QA η = = = Q Q Q Y Y Y ämövoimakone siirtää ylemään lämövarastoon mahdollisimman aljon lämöä ulkoisen voiman tekemää työtä kohden ehokerroin QY ε = = (tehokerroin on vastaavaa rosessia käänteiseen W η suuntaan toteuttavan lämövoimakoneen hyötysuhteen käänteisluku reversiibeleille rosesseille) Jäähdytyskone siirtää ulkoisen voiman tekemää työtä kohden mahdollisimman aljon lämöä ois alemmasta lämövarastosta QA W QY ehokerroin on ε J = = = ε W W Carnotin kiertorosessi koostuu kahdesta isotermisestä ja kahdesta adiabaattisesta tilanmuutoksesta Carnotin rosessin hyötysuhde on

W Y A η A c = = = aikka tulos johdettiin ideaalikaasulle, se Q Y Y Y ätee kaikille Carnotin rosesseille työaineesta (systeemistä) riiumatta Carnotin lämövoimakoneen hyötysuhde on suurin mahdollinen IX OINEN PÄÄSÄÄNÖ JA ENROPIA Systeemi yrkii termodynaamiseen tasaainotilaan, koska siihen liittyy niin aljon enemmän mikrotiloja kuin muihin makrotiloihin aikka kaikki tietyn energian ja hiukkasmäärän omaavat mikrotilat ovat yhtä todennäköisiä, on siirtyminen sellaiseen kaukana termodynaamisesta tasaainosta olevaan makrotilaan, johon liittyy hyvin vähän mikrotiloja niin eätodennäköistä, ettei sitä koskaan havaita systeemille jossa on aljon hiukkasia Entroian kasvun laki voi siis olla sousoinnussa Newtonin liikeyhtälön kanssa (johon mikrotilojen esiintyminen samalla todennäköisyydellä oleellisesti erustuu) oinen ääsääntö, määritelmä I ermodynaaminen systeemi yrkii aina tasaainotilaan asaainotila on makrotila, johon kuuluvien mikrotilojen lukumäärä on annetun hiukkasmäärän ja energian uitteissa suurin mahdollinen oinen ääsääntö, vaihtoehtoinen määritelmä II: Eristetyn systeemin entroia voi vain kasvaa tai säilyä vakiona oinen ääsääntö, vaihtoehtoinen määritelmä III: ämöä ei siirry itsestään kylmemmästä kaaleesta lämimämään kaaleeseen (Clausius), oinen ääsääntö, vaihtoehtoinen määritelmä I: Ei voida rakentaa jatkuvasti (jaksollisesti) toimivaa termodynaamista konetta, jossa yhdestä lämövarastosta otettu lämö tekisi mekaanista työtä (Kelvin ja Planck) ermodynamiikan entroian määritelmä vertaa tätä tilastollisen entroian määritelmään ds = S S =, S = k ln P k - nämä

määritelmät voidaan osoittaa yhtäitäviksi termodynaamisten tasaainotilojen osalta (termodynamiikan entroiaa ei voi määritellä muulle kuin tasaainotilalle) Reversiibelisyys edellyttää, että rosessi on () kvasistaattinen ja () häviötön Jos systeemi ei ole eristetty ymäristöstä tai systeemi koostuu esimerkiksi kahdesta osasta, joiden välillä on lämmönvaihtoa, on vielä vaadittava, että (3) reversiibelissä rosessia voi taahtua lämmönvaihtoa vain kahden samassa lämötilassa olevan ideaalisella johteella kytketyn osasysteemin tai systeemin ja ymäristön välillä Entroian muutoksia eräissä tilanmuutoksissa: () Adiabaattinen rosessi ds = = 0 (systeemi on lämöeristetty, joten δ Q = 0 ), () Isoterminen rosessi rosessi rosessi Q S S = = =, (3)Isokoorinen d d ln, (4) Isobaarinen S S = ν c = ν c = ν c d d ln S S = ν c = ν c = ν c Jos hiukkasmäärä on vakio, eikä systeemissä taahdu kaasujen sekoittumista, ideaalikaasun entroia on tilanfunktio f / S(, ) = ν R ln + C, vakio C on tuntematon (termodynaamisella entroialla ei ole absoluuttiarvoa) Avoimelle systeemille saadaan ekstensiivinen (ainemäärään f / verrannollinen) lauseke S = ν R ln + ν c ν

X JOUEN JA HOMSONIN IMIÖ ermodynamiikassa tarvitaan myös energian kokeellisesti määrätty tilanfunktio Huomaa, että aiemmissa luvuissa esitetty ideaalikaasun U = f / ν R erustui tilastollisen mekaniikan sisäenergian lauseke ( ) tarkasteluun ermodynamiikassa harvaan kaasun sisäenergia on U = ν c + vakio (kutsutaan energiayhtälöksi) Energian absoluuttiarvoa ei siis tunneta ja ominaislämö vakiotilavuudessa c ajatellaan määrättäväksi kokeellisesti Reaalikaasun energiayhtälö on du = ν c d + d ästä erikoistaauksena an der Waalsin kaasun energiayhtälö ν U = ν c a + ν vakio ässä a on van der Waalsin arametri attraktiiviselle vuorovaikutukselle (moolimäärän avulla lausuttuna) an der Waalsin kaasun entroia on S = ν c ln + ν R ln b + ν vakio ( ) m Joulen ilmiöllä tarkoitetaan kaasun jäähtymistä sen laajetessa lämöeristetysti tyhjöön aajetessaan tyhjöön kaasu ei tee työtä, joten sen sisäenergia on vakio ämötilan muutos moolitilavuuden a muuttuessa arvosta m arvoon m on = c m m