Molaariset ominaislämpökapasiteetit

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

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

VIII KIERTOPROSESSIT JA TERMODYNAAMISET KONEET 196

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

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

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

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

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.

Termodynaamiset syklit Todelliset tehosyklit

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

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

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

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

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

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

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 9 /

Termodynamiikka ja nestevirtaukset

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

Lämpöopin pääsäännöt

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ

Teddy 1. välikoe kevät 2008

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

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

PHYS-A0120 Termodynamiikka. Emppu Salonen

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

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

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

TERMODYNAMIIKAN KURSSIN FYS 2 KURS- SIKOKEEN RATKAISUT

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

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

6-1 Hyötysuhde ja tehokerroin

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

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

Valitse seuraavista joko tehtävä 1 tai 2

Clausiuksen epäyhtälö

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

2. Termodynamiikan perusteet

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

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

VII LÄMPÖOPIN ENSIMMÄINEN PÄÄSÄÄNTÖ

Luku 8 EXERGIA: TYÖPOTENTIAALIN MITTA

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

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

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

Palautus yhtenä tiedostona PDF-muodossa viimeistään torstaina

FY9 Fysiikan kokonaiskuva

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

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

Lämpöopin pääsäännöt. 0. pääsääntö. I pääsääntö. II pääsääntö

1 Clausiuksen epäyhtälö

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Ensimmäinen pääsääntö

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Harvan kaasun sisäenergia ja lämpökapasiteetit

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

6. Yhteenvetoa kurssista

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

2. Termodynamiikan perusteet

1. Kumpi painaa enemmän normaalipaineessa: 1m2 80 C ilmaa vai 1m2 0 C ilmaa?

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

Tekijä: Markku Savolainen. STIRLING-moottori

Termofysiikan perusteet

Thermodynamics is Two Laws and a Li2le Calculus

Termodynamiikan toinen pääsääntö (Second Law of Thermodynamics)

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

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

Peruslaskutehtävät fy2 lämpöoppi kurssille

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

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

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

W el = W = 1 2 kx2 1

Tämän päivän ohjelma: ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

ν = S Fysiikka III (ES) Tentti Ratkaisut

Luku 6 TERMODYNAMIIKAN TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ

Transkriptio:

Molaariset ominaislämpökapasiteetit Yleensä, kun systeemiin tuodaan lämpöä, sen lämpötila nousee. (Ei kuitenkaan aina, kannattaa muistaa, että työllä voi olla osuutta asiaan.) Lämmön ja lämpötilan muutoksen suhdetta systeemissä kutsutaan lämpökapasiteetiksi Se voi riippua vaikka prosessista, jonka kautta lämpö saapuu. Jos systeemi koostuu vain yhdenlaisesta aineesta, voidaan puhua ominaislämpökapasiteeteista (ainemäärän tai massan suhteen).

Ideaalikaasun molaariset ominaislämpökapasiteetit Katsotaan sitten tilannetta ideaalikaasumaailmassa. Isokoorinen prosessi Isobaarinen prosessi Erityisesti kannattaa huomata: 1. Molaarinen ominaislämpökapasitetti on sama kaikille ideaalikaasuille 2. Isobaarisen ja isokoorisen ominaislämpökapasiteetin erotus on vakio

Ideaalikaasun molaariset ominaislämpökapasiteetit Kuinka totta tämä on reaalikaasuille? eli aika tarkkaa on... Moniatomisille kaasuille asia ei ole aivan yhtä selvä

Ideaalikaasun molaariset ominaislämpökapasiteetit Meidän on hieman täydennettävä ideaalikaasuteoriaamme. Alkuperäinen oletus oli, että ideaalikaasun molekyyleillä on vain liike-energiaa Liikettä kolmeen suuntaan Ekvipartitioteoreema: energia jakautuu tasan kaikille kaasun vapausasteille Kaksi pyörimisakselia: Kaksi vapausastetta värähtelyssä: 7=5+2 5=3+2

Ideaalikaasun molaariset ominaislämpökapasiteetit Moniatomisen ideaalikaasun sisäenergia onkin missä f on kaasun vapausasteiden lukumäärä jolloin suoraan ja

Vapausasteet kiinteässä aineessa Yllättävää kyllä, äsken esitetty on melko totta myös kiinteille aineille. Doulongin ja Petitin lain mukaan kiinteiden aineiden ominaislämpökapasitetti on noin 3R kidehilassa on kuusi vapausastetta (värähtelyt kolmeen suuntaan) 3R

Adiabaattinen prosessi PV-tasossa Adiabaattinen prosessi PV-tasossa jäi aiemmin hieman auki. Vaan mikä on sen yhtälö PV-tasossa? Adiabaatti on siis PV-tasossa jyrkempi kuin isotermi eli ja f CV CP = CV+ R γ = CP/CV 3 3/2 R 5/2 R 5/3 1,67 5 5/2 R 7/2 R 7/5 = 1,40 7 7/2 R 9/2 R 9/7 1,29 Yhtälö siis määrittelee adiabaattisen prosessin muttei kerro mitään systeemistä. Erityisesti yhtälö ei ole tilanyhtälö.

Ideaalikaasun adiabaattinen prosessi: esimerkki Viisivapausasteista ideaalikaasua on 0,20 mol. Kaasua puristetaan kasaan adiabaattisesti. Kaasun lähtötilavuus VB = 5,0 dm3 ja lähtöpaine PB = 100 kpa sekä lopputilavuus VD = 1,0 dm3 Kuinka suuri on kaasun paine ja lämpötila pisteessä D? Tilanyhtälö PV = nrt on voimassa joka pisteessä i) f = 5 γ = 1,40 ii) B D adiabaatti iii) ideaalikaasun tilanyhtälö: PDVD = nrtd Vertailun vuoksi:

Lämpövoimakoneet ja toinen pääsääntö Lämpövoimakone on kone, joka tekee työtä lämpötilaeron avulla. Korkeammasta lämpötilasta siirtyy lämpöä koneeseen, josta osa muuttuu työksi. Koneen kierto on syklinen eli se palaa alkutilaansa yhden kierroksen jälkeen. Lämpötilaero Osa lämmöstä työksi Hyötysuhde Termodynamiikan toinen pääsääntö, Kelvinin ja Planckin mukaan: Mikään laite ei voi muuttaa kaikkea ottamaansa lämpöä työksi.

Carnot'n sykli Tarkastellaan konetta, joka tekee työtä kahden vakiolämpötilan välillä Yksi tärkeä malli on ns. Carnot'n sykli (tai Carnot'n kone) Isotermeillä: Adiabaatti Adiabaateilla: Carnot'n teoreema: Jokaisella lämpötilojen TH ja TL välillä toimivalla ideaalisella (reversiibelillä) lämpövoimakoneella on sama hyötysuhde. Ei-reversiibelillä koneella on pienempi hyötysuhde.

Kahden lämpötilan välillä toimivat koneet Kahden lämpösäiliön välille voi rakentaa myös toisenlaisen koneen, joka vaihtaa lämpöä muidenkin osaprosessien kuin isotermien aikana Yksi toteutus on Stirlingin kone A B C B C D A B D C D A

Lämpötilan määritelmä Carnot'n syklin avulla voi myös määritellä lämpötilan seuraavasti: Rakennetaan lämpövoimakone, joka toimii kahden lämpötilan välillä Valitaan toinen lämpötila referenssiksi (esim. TL = 273,16 K) Käytetään konetta ja määritetään sen hyötysuhde sirrettyjen lämpöjen avulla Lasketaan TH, jota voidaan siis pitää näin mitattuna Näin saadaan termodynaaminen lämpötila-asteikko SI-järjestelmän mukaan: Kelvin on 1/273,16 osa veden kolmoispisteen termodynaamisesta lämpötilasta

Käytännön lämpövoimakoneita Carnot'n konetta ei käytännössä kannata usein rakentaa, koska isotermi on hidas prosessi tehoton kone Ottomoottori (polttomoottori, internal combustion engine) Höyrykone (external combustion engine)

Nelitahtisen Otto-moottorin sykli Otto-moottorin syklissä on kaksi adiabaattia ja kaksi isokooria nopeita prosesseja tehokas moottori Puristussuhde: Tehollinen keskipaine:

Otto-syklin analyysi Isokoorit: Adiabaatit:

Lämpövoimakoneen syklejä Lämpövoimakoneen voi toteuttaa siis monella tavoin. Syklin avulla voi analysoida koneen toteutusta ja tarkistaa esimerkiksi seuraavat asiat: Puristussuhde (Onko kone liian iso?) Tehollinen keskipaine (Kuinka suuri merkitys sisäisellä kitkalla on?) Korkein lämpötila ja paine (Kestävätkö materiaalit?) Otto Diesel Stirling Brayton

Volkswagen ja Diesel-sykli Termodynaamisten mietteiden lisäksi lämpövoimakoneissa kemiallakin on merkitystä: polttoaineen polttaminen ei ole aina kovin puhdasta. Merkittäviä tekijöitä: seossuhde (polttoaine ilma), lämpötila Diesel-sykilin ongelma on korkea lämpötila isobaarisen laajenemisen jälkeen pisteessä c Toisaalta, mitä pitempi on laajeneminen b c, sitä enemmän työtä tehdään yhdessä syklissä Diesel

Entäs ahdin? Monen polttomoottorin yhteydessä on nykyisin ahdin, turbo tai mekaaninen. Miksi? Ahtaminen kasvattaa sylinteriin tulevan kaasun painetta. Syklin kaasun ainemäärä kasvaa. Yhdessä syklissä tehty työ ja siirtyvät lämmöt kasvavat. Moottorin teho kasvaa Hyötysuhde ei muutu

Entäs ahdin? Ahdettu Otto Otto Ahtaminen siis vastaa (ensimmäisessä approksimaatiossa) syklissä käytettävän ainemäärän kasvattamista

Todellisen moottorin tiedot Lähde: Tekniikan Maailma