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

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

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

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

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.

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

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

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

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

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

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

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

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

PHYS-A2120 Termodynamiikka Mallitehtävät

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

VII LÄMPÖOPIN ENSIMMÄINEN PÄÄSÄÄNTÖ

S , Fysiikka III (S) I välikoe Malliratkaisut

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

Clausiuksen epäyhtälö

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

X JOULEN JA THOMSONIN ILMIÖ...226

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

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

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

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

PHYS-A0120 Termodynamiikka. Emppu Salonen

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

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

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

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

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

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

Ensimmäinen pääsääntö

S , Fysiikka III (ES) Tentti Tentti / välikoeuusinta

0, mol 8,3145 (273,15 37)K mol K. Heliumkaasun paine saadaan kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt. K mol kpa

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,

Termodynaamiset syklit Todelliset tehosyklit

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ

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

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

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

Kuva 1: Etäisestä myrskystä tulee 100 metrisiä sekä 20 metrisiä aaltoja kohti rantaa.

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

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

1 Clausiuksen epäyhtälö

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Lämpöopin pääsäännöt

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

Luku Pääsääntö (The Second Law)

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

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Thermodynamics is Two Laws and a Li2le Calculus

Teddy 1. välikoe kevät 2008

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

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

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

Ilman suhteellinen kosteus saadaan, kun ilmassa olevan vesihöyryn osapaine jaetaan samaa lämpötilaa vastaavalla kylläisen vesihöyryn paineella:

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

6. Yhteenvetoa kurssista

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

Oikeasta vastauksesta (1p): Sulamiseen tarvittavat lämmöt sekä teräksen suurin mahdollinen luovutettu lämpö:

Palautus yhtenä tiedostona PDF-muodossa viimeistään torstaina

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

( ) ( ) on nimeltään molekyylisironnan mikroskooppinen vaikutusala). Sijoittamalla numeroarvot saadaan vapaaksi matkaksi

Lämpöoppia. Haarto & Karhunen.


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

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

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

4. Termodynaamiset potentiaalit

ENE-C3001 Energiasysteemit

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

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

Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 4 / vko 40

VIII KIERTOPROSESSIT JA TERMODYNAAMISET KONEET 196

KIINTEÄN AINEEN JA NESTEEN TILANYHTÄLÖT

FY9 Fysiikan kokonaiskuva

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

1. van der Waalsin tilanyhtälö: 2 V m RT. + b2. ja C = b2. Kun T = 273 K niin B = cm 3 /mol ja C = 1200 cm 6 mol 2

2. Termodynamiikan perusteet

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

4. Termodynaamiset potentiaalit

Termofysiikan perusteet

2. Termodynamiikan perusteet

Transkriptio:

S-11445 Fysiikka III (Sf) välikoe 710003 1 Läpövoiakoneen kiertoprosessin vaiheet ovat: a) Isokorinen paineen kasvu arvosta p 1 arvoon p b) adiabaattinen laajeneinen jolloin paine laskee takaisin arvoon p 1 ja tilavuus kasvaa arvoon 3 ja c) isobaarinen puristus tilavuuden pienentyessä takaisin arvoon 1 F - I Piirrä kuva ja osoita että hyötysuhde on h = 1-g 3/ 1 1 issä g on adiaabaattivakio HG p / p1-1 aasu oletetaan ideaalikaasuksi aasu saa läpöä uutoksessa 1- Prosessi on isokorinen joten kaasun saaa läpöäärä on Q = C ν ( 1) Muutos -3 on adiabaattinen jotenq 3 = 0 aasu luovuttaa läpöä alepaan läpövarastoon uutoksessa 3-1 joka on isobaarinen aasun luovuttaa läpöäärä on Q = C A ν p( 3 1) Huoaa itseisarvoerkki aasu luovuttaa läpöä joten ääritellään läpövoiakoneelle yhtälöllä Q A on negatiivinen Hyötysuhde W Q QA QA η = = = 1 Q Q Q issä käytettiin yös energian säilyislakia Sijoitetaan tähän läpöäärät ja uistetaan että adibaattivakiolle pätee γ = C / C ( ) ( ) p ( / 1) ( / 1) η = 1 γ = 1 γ 3 1 3 1 1 1 äytetään lopuksi ideaalikaasun tilanyhtälöä uutoksille 1- ja 3-1 Muutos 1- on isokorinen joten tilanyhtälöstä saadaan ( p / p1) = ( / 1) Muutos 3-1 on isobaarinen joten vastaavasti tilanyhtälöstä ( 3 / 1) = ( 3/ 1) un nää sijoitetaan edellä olevaan yhtälöön saadaan kaivattu tulos

a Erään kaasun tilanyhtälö on p+ = R issä on oolitilavuus ja a sisäenergia oolia kohti U = b + U0 akioiden arvot ovat a = 580 3/kol ja b = 40 /(kol ) a) Määritä oolinen oinaisläpö vakiotilavuudessa c b) Laske läpötilan uutos kun 30 kol tätä kaasua saa vakiotilavuudessa läpöäärän 100 a) 1 pääsäännöstä δ Q = du + pd ja sisäenergian kokonaisdifferentiaalista du = d + d saadaan δq = d p d + + un tilavuus on vakio (isokoorinen tilanuutos) on d = 0 ja oinaisläön ääritelän ukaan δq = δq = νcd Saadaan siis (ks yös opetusonisteesta lukua 77) 1 νcd = d josta c = ν Moolisten suureiden avulla lausuttuna c = c = b 40 ( kol ) b) Q = 100 ν = 30 kol = vakio =? δq = du = νc d Sijoittaalla edellä saatu c:n lauseke ja integroialla saadaan 1 ( ) 1 Q = νb d = νb = νb ästä saadaan kysytty läpötilan uutos: Q 100 = 083 νb 30 kol 40 kol ilanyhtälöä ei tehtävässä tarvittu Siitä kuitenkin nähdään että kysyyksessä on reaalikaasu 3 Eräässä prosessissa ideaalikaasun paine on suoraan verrannollinen oolitilavuuteen Miten kaasun entropia oolia kohti riippuu oolitilavuudesta tässä prosessissa? Lausu tulos adiabaattivakion γ avulla (ensiäinen tapa) p= a a = vakio Ideaalikaasu

Entropian ääritelästä ja 1 pääsäännöstä saadaan du + pd f d ad ds = = R + issä f on efektiivisten vapausasteiden lukuäärä Ideaalikaasun tilanyhtälöstä saadaan edelleen p a a = = d = d R R R jotka sijoitetaan edelliseen yhtälöön ällöin saadaan Integroialla saadaan lopulta d γ + 1 d ds = R( f + 1) = R γ 1 γ + 1 S = R ln + S γ 1 0 issä S 0 on vakio joka vastaa referenssitilaa (toinen tapa) ehtävä voidaan ratkaista yös käyttäällä ideaalikaasun entropian lauseketta (ks luku 9) f / f / S = ν Rln + ν c ja siis oolia kohden S / ln ν = S ν = R + c ν ehtävässä kerrotaan että tarkasteltavassa prosessissa paine on suoraan verrannollinen oolitilavuuteen ts p= a = a / ν Ideaalikaasun tilanyhtälön ukaan p = ν R / joten asettaalla paineet yhtäsuuriksi saae läpötilaksi ( ν ) = a / R = a / R Sijoitetaan tää entropian lausekkeeseen f / f + 1 a S = Rln + c f / erätään kaikki tilavuudesta riippuattoat terit yhteen R S = R f + 1 ln + c+ R f / ln a/ R ja lausutaan lopuksi f adiabaattivakion avulla (ts ( ) ( ) ( ) ( ) γ = 1+ / f ks luku 773) Saae γ + 1 S = R ln + c+ R f / ln a / R γ 1 issä ( ) ( ) ( ) ( ) c + R f / ln a/ R = S0 on tunteaton vakio ällä yhtälöllä voidaan laskea entropian uutoksia utta se ei anna entropian absoluuttista arvoa

4 eskenään vuorovaikuttavien olekyylien uodostaan kaasun partitiofunktio on Nb k Na k Z = F - I e H N F 3 / I / H ph Osoita että tätä vastaava paine on saa kuin van der Waals n kaasussa Ohje : entropian ääritelän perusteella voidaan kirjoittaa: dq du + dw du + pd ds = = = fi du = ds - pd ts paine on yhteydessä F sisäenergian differentiaaliin Määritteleällä apusuure F = U - S F osoita että p =-HG I Laske siis ensin partitiofunktion avulla F ja siitä paine osittaisdervoinnilla Lasketaan funktion F kokonaisdifferentiaali df = du ds Sd = Sd pd Huoaae että vapaa energia on tilanfunktio ja F p = Lasketaan seuraavaksi F Entropia voidaan esittää partitiofunktion avulla uodossa U Z S = kn ln kn + N + joten F = U S = kn ln Z kn (1 ln N ) ja paineeksi saadaan (jälkiäinen teri ei riipu tilavuudesta - ts entropiassa esiintyvillä norituksesta riippuvilla vakiotekijöillä ei ole vaikutusta itattavissa oleviin oinaisuuksiin) F p= = kn ( ln Z) Partitiofunktion logariti on Nb 3 k Na ln Z = ln + ln + N π h k josta derivoialla tilavuuden suhteen Nk N p= Nb a joka on saa kuin van der Waalsin kaasun paine 5 ksi ooli vettä läitetään kvasistaattisesti vakiopaineessa läpötilasta - 0 C läpötilaan 150 C Laske veden entropian uutos eden sulaisläpö on 608 k/ol höyrystyisläpö 4069 k/ol ään oinaisläpökapasiteetti vakiopaineessa on 3767 /(ol ) ja vesihöyryn oinaisläpökapasiteetti vakiopaineessa 360 /(ol ) iieksi ainittuja arvoja voidaan pitää vakioina ao läpötila-alueilla

: Ls = 608 k/ol Lh = 4069 k/ol Cpj = 3767 /(ol ) Cpv = 418 k/(kg ) Cph = 360 /(ol ) 1 = -0 C = 53 = 150 C = 43 ν = 10 ol p = 10 at 1) ään läitys -0 C:sta sulaispisteeseen 0 s d s 1 ν pj ν pjln 866 1 S = C = C ) ään sulainen: isoterinen ja isobaarinen prosessi 1 δq Q1 νls 081 1 s s s S = = = 3) eden läitys 0 C:sta kiehuispisteeseen 100 C h S3 = ν Cpvln 348 s 4) eden höyrystäinen: isoterinen isobaarinen prosessi Q1 ν Lh S4 = = 10909 h h 5) Höyryn läittäinen 150 C:seen S5 = ν Cphln 4586 h eden entropian kokonaisuutos on S = S i 16 AIOIA -31-7 -7-7 e = 9 1091 10 kg p = 1 675 10 kg n = 1 6748 10 kg au = 1 6605 10 kg -19 8-34 -4-1 e = 1 601 10 C c = 9979 10 / s h = 1 0545 10 s B = 9 73 10-1 -1 - -6 - e0 = 8 8544 10 CN e = 1 / 4pe0 0 = 1 566 10 kgc = 0 / 4p -11-3 -1-1 -1-3 g = 6 670 10 N kg NA = 6 05 10 ol R = 8 3143 ol k = 13805 10-1