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

Samankaltaiset tiedostot
. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

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

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

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

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

ν = S Fysiikka III (ES) Tentti Ratkaisut

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

S , Fysiikka III (S) I välikoe Malliratkaisut

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

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

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

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

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

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

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

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

S , Fysiikka III (ES) Tentti Tentti / välikoeuusinta

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

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

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

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

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

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

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

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

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

6. Yhteenvetoa kurssista

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

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

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

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

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

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

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

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

Clausiuksen epäyhtälö

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

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

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

X JOULEN JA THOMSONIN ILMIÖ...226

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

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,

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ

Luku 13 KAASUSEOKSET

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

VII LÄMPÖOPIN ENSIMMÄINEN PÄÄSÄÄNTÖ

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

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

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

S Fysiikka III (EST), Tentti

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Teddy 1. välikoe kevät 2008

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt


7 Termodynaamiset potentiaalit

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

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

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

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) k = nπ a. (3) E = n 2 π2 2 2ma 2 n2 E 0. (4)

n = = RT S Tentti

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

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

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

VIII KIERTOPROSESSIT JA TERMODYNAAMISET KONEET 196

766328A Termofysiikka Harjoitus no. 10, ratkaisut (syyslukukausi 2014)

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017

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

FY9 Fysiikan kokonaiskuva

Useita oskillaattoreita yleinen tarkastelu

1 Kertaus. Lineaarinen optimointitehtävä on muotoa:

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

Luku Pääsääntö (The Second Law)

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

VI TILANYHTÄLÖ

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

kuonasula metallisula Avoin Suljettu Eristetty S / Korkealämpötilakemia Termodynamiikan peruskäsitteitä

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

Differentiaalilaskennan tehtäviä

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

3.4 Liike-energiasta ja potentiaalienergiasta

Työssä määritetään luokkahuoneen huoneilman vesihöyryn osapaine, osatiheys, huoneessa olevan vesihöyryn massa, absoluuttinen kosteus ja kastepiste.

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

Transkriptio:

S-4.35, Fysiikka III (ES) entti 8.3.006. Laske nopeuden itseisarvon keskiarvo v ave ja nopeuden neliöllinen keskiarvo v rms seuraaville 6 molekyylien nopeusjakaumille: a) kaikkien vauhti 0 m/s, b) kolmen vauhti 5 m/s ja kolmen 0 m/s, c) neljän vauhti 5 m/s ja kahden 0 m/s, d) kolme molekyyliä on levossa ja kolmen vauhti 0 m/s ja e) yhden vauhti 5 m/s, kahden vauhti 7 m/s, kahden 5 m/s ja yhden 0 m/s? auhti = nopeuden itseisarvo. opeuden itseisarvon keskiarvo :lle hiukkaselle määritellään yhtälöllä vave Ç vi () i ja nopeuden neliöllinen keskiarvo yhtälöllä vrms / Ç vi i. () Jaetaan hiukkaset aliryhmään. Olkoon hiukkasten lukumäärä aliryhmässä n j, j,,..,, jolloin Ç nj. Kuhunkin aliryhmään kuuluvalla hiukkasella on sama nopeus v j. j Yhtälöt () ja () voidaan tällöin kirjoittaa painotettuina keskiarvoina; kutakin nopeuden arvoa painotetaan ao. ryhmään kuuluvien hiukkasten lukumäärällä: Ç nv j j j vave nv Ç j j (3) n j Ç j j ja / Ç nv j j j vrms nv Ç j j (3) n j j Ç j Sijoittamalla saadaan seuraavat tulokset: v ave m/s v rms m/s a) 0,0 0,0 b),5 4,6 c) 0,0, d) 0,0 4, e),5,7

Kaasusäiliö sisältää,4 g typpeä 800 K lämpötilassa. Säiliön tilavuus on 5,0 l. Laske paine säiliössä ottamalla huomioon, että tässä lämpötilassa 0,4 g typpimolekyyleistä, on hajonnut typpiatomeiksi. Sovella Daltonin lakia ideaalikaasulle. olekyylityppi ja atominen typpi ovat kaasun kaksi komponenttia. yppiatomin massa on 4 amu. a) Jos typpi olisi kokonaan molekylääristä paine saataisiin ideaalikaasun tilanyhtälöstä R, 4 R p= p= ν = mol,74bar = 8,0. b) Daltonin lain mukaan kokonaispaine on eri tyypin molekyyleistä koostuvien kaasujen osapaineiden summa. ässä tapauksessa kaasut ovat molekyläärinen typpi ja atominen typpi. Olkoon kaasu () seuraavassa molekylääristä ja kaasu () atomista typpeä. Daltonin lain mukaan: p νr () p νr olekylääristä typpeä on 07. 4, g = 0.98g ja atomista 03. 4. g = 0,4g. oolimassat ovat vastaavasti :lle 8, 0g/ mol ja typpiatomille puolet tästä 4, 0g/ mol. Ratkaisemalla yhtälöstä () paineiden summa ja sijoittamalla moolimäärät, tilavuus ja lämpötila: R 098. 04, R p p p ν ν6 mol 94, bar. 8, 0 4, 0 Huomaamme, että paine on suurempi kuin silloin jos vastaava määrä typpeä olisi pelkästään molekyläärisessä muodossa. 3. Eräässä termodynaamisessa tasapainossa olevassa systeemissä, joka noudattaa axwell- Boltzmann statistiikkaa, saatiin kokeellisesti tilojen energioille ja niiden suhteellisille miehitystodennäköisyyksille arvot:.3 me (63%), 0.9 me (3%), 9.5 me (8,5%) ja 8. me (3.%) vastaavasti. Arvioi systeemin lämpötila näiden kokeellisten tulosten perusteella. Olkoon tilat,, 3, 4. Suhteellinen todennäköisyys ensimmäisen ja toisen tilan välillä on n n 03 6/. 063. e E E k 0. 365. ästä seuraa 0 5 0 5 E E À E E ln 0. 365 k k ln 0. 365 99. 0 K.

astaavasti muille tiloille saadaan E E3 k ln 00. 3495 99. 6 K E E4 k ln 0. 049 99.4 K. 0 5 Lämpötilat eivät ole tarkalleen samat sillä miehitystodennäköisyydet on määritelty kokeellisesti, jolloin niihin sisältyvän epätarkkuuden takia suhteelliset todennäköisyydet eivät anna tarkalleen samaa lämpötilaa. Eräs tapa parantaa tarkkuutta on laskea esimerkiksi näin saatujen lämpötilojen keskiarvo, jolloin osa satunnaisista mittausvirheistä eliminoituu. Lämpötilojen keskiarvoksi saadaan 99. 3 K. 4. Osoita, että ideaalikaasun kvasistaattisessa isotermisessä laajenemisessa tilavuudesta tilavuuteen entropian muutos voidaan lausua muodossa I p S = d. b) Laske entropian muutos, kun,0 mol ideaalikaasua laajenee isotermisesti siten, että sen tilavuus kaksinkertaistuu. a) Entropian määritelmästä saadaan. pääsääntöä käyttäen δ Q ds = = ( du + pd ). () Kun lämpötila ja tilavuus ovat riippumattomia muuttujia, on sisäenergian kokonaisdifferentiaali U U du = d + d. () Sijoittamalla ():een saadaan U U ds = d + + p d. (3) oisaalta S: kokonaisdifferentiaali voidaan kirjoittaa ():n tapaan muotoon S S ds = d + d. (4) Koska ja ja niinollen d ja d ovat riippumattomia, on niiden kertoimien yhtälöissä (3) ja (4) oltava yhtä suuria: S U S U = ja = + p. (5) oidaan osoittaa, että S:n ja U:n toiset osittaisderivaatat :n ja :n suhteen (ns. ristiderivaatat) ovat riippumattomia derivointijärjestyksestä: S S S S = eli =.

Yhtälöistä (5) saadaan täten U U p U = + p +, josta edelleen sieventämällä U p = p. (6) U = νc, Yhtälöistä (5) ja (6) saadaan ottamalla lisäksi huomioon, että ( ) S νc S p = ja =. (7) Sijoittamalla S:n kokonaisdifferentiaalin lausekkeeseen (4) saadaan vihdoin νc p ds = d + d. (8) Isotermiselle prosessille d = 0 ja yhtälön (8) ensimmäinen termi häviää. (arkastelun rajaaminen reversiibeleihin prosesseihin on tarpeen (itse asiassa kvasistaattisuus riittää), jotta voidaan käyttää entropian termodynaamista määritelmää ds = δq/.) ällöin siis p ds = d ja p S = d, (9) kuten väitettiin. b) ν =,0 mol, =. Ideaalikaasun tilanyhtälöstä ν R p ν R p = =. Yhtälöstä (9): d J J ν ln,0 mol 8,344 ln,5. mol K K S = ν R = R 5. ikä on ekvipartitioperiaatteen mukaan hyvin korkeissa lämpötiloissa a) ammoniakkimolekyylin H 3 (ei-lineaarinen molekyyli) ja b) hiilidioksidimolekyylin CO (tiedetään lineaariseksi) keskimääräinen energia.

H 3 on ei lineaarinen molekyyli. Atomien paikan ilmaisemiseen tarvitaan 3x4 = koordinaattia. äistä 3 massakeskipisteen liikkeelle (ei potentiaalienergiaa) siis etenemisliikkeen energia keskimäärin (3/) k. Pyörimiseen tarvitaan kolme kulmakoordinaattia, jälleen potentiaalienergia on 0, joten keskimääräinen pyörimisenergia (3/) k. Loput 6 koordinaattia kuvaavat värähtelyä. iihin liittyy sekä liike että potentiaalienergiaa. Siis värähtelyenergiaa yhteensä 6 k ja yhden ammoniakkimolekyylin keskimääräinen kokonaisenergia on ((3/)+(3/)+6) k =9k. Hiilidioksidissa on kolme atomia ja siis 3x3 = 9 koordinaattia. Etenemisliike samoin kuin yllä (3/) k, lineaarinen molekyyli, joten pyöriminen vain kaksi koordinaattia siis energiaa x k ja loput 4 koordinaattia värähtelyyn 4 k yhteensä saadaan siis ((3/)+(/)+4) k =6,5k. 6. Kilo vettä, jonka lämpötila on 0 0 C asetetaan kosketukseen suuren 00 0 C asteisen kappaleen kanssa. a) Kun veden lämpötila on noussut 00 0 C, mitkä ovat veden, kappaleen ja universumin entropian muutokset? b) Oletetaan seuraavaksi, että veden kuumentaminen 00 0 C tapahtuu saattamalle se ensin kosketukseen suuren 50 0 C asteisen kappaleen kanssa ja sitten 00 0 C asteisen kappaleen kanssa. ikä ovat nyt veden ja universumin entropian muutokset? c) Selitä miten vesi voidaan kuumentaa 0 0 C asteesta 00 0 C asteeseen ilman, että universumin entropia kasvaa. eden moolimassa on 8g ja ominaislämpö vakiopaineessa c p = 8,0cal K mol. oit lausua entropian muutoksen myös jouleissa; cal = 4,86 J. että on 55,6 moolia ja veden ominaislämpökapasiteetti on c p = 8,0cal K mol (a) Lasketaan lämpömäärät ominaislämpöjen avulla. asoittuminen tapahtuu vakiopaineesssa (ilmakehän paine), joten vesi saa lämpömäärän ( ) Qvesi = νcp = 00,0 kcal Kappale luovuttaa vastaavan lämpömäärän Qbody = Qvesi. eden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille vrt luennot: Svesi = ν cp ln, josta = 3,calK. Kappaleen entropiamuutos lasketaan isotermiselle prosessille sillä kappaleen lämpötilan muutos on äärettömän pieni: Q body S S = Sbody = = 68,calK entropian kokonaismuutos on siis S = S + S =+. O vesi body 44,calK (b) Oletetaan, että prosessi tapahtuu nyt kahdessa vaiheessa. edelle saadaan ( = 50 C ) i 0

S = νc + νc = νc vesi i pln pln pln i ts. veden entropian lisäys on sama kuin edellä. Sen sijaan kappaleelle saadaan Qvesi / Qvesi / Sbody = = 88,9calK ja entropian kokonaismuutos edellä. i = 3,3calK. Entropian lisäys on siis pienempi kuin S O (c) Rajatapauksena voidaan ajatella veden saattamista kontaktiin äärettömän monen kappaleen kanssa, joista kunkin lämpötila on vain hieman veden lämpötilaa korkeampi. Entropian muutos lähenee tällöin nollaa ts. kyseessä on rajalla S = 0 reversiibeli prosessi. AKIOIA 3 7 7 7 me 9, 09 0 kg mp, 675 0 kg mn, 6748 0 kg amu, 6605 0 kg 9 8 34 4 e, 60 0 C c, 9979 0 m / s =, 0545 0 Js µ B 9, 73 0 J - - 6 ε0 8, 8544 0 C m Ke / 4πε 0 µ 0, 566 0 mkgc Km µ 0 / 4π 3 - - -3 γ 6, 670 0 m kg A 6, 05 0 mol R 8, 343 JK mol k =,3805 0 JK HUO. Uusittujen välikokeiden pistemäärä kerrotaan tekijällä 5/3 ennen kuin tulos lasketaan yhteen aiempien kerättyjen vk pisteiden kanssa.