Lämpötila Lämpölaajeneminen Ideaalikaasu. Luku 17

Samankaltaiset tiedostot
Ch 12-4&5 Elastisuudesta ja lujuudesta

Virhearviointi. Fysiikassa on tärkeää tietää tulosten tarkkuus.

Työ 4B8B S4h. AINEEN PITUUDEN MUUTOKSISTA

CHEM-A1410 Materiaalitieteen perusteet

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

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

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

Laskuharjoitus 1 Ratkaisut

Elastisuus: Siirtymä

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

Differentiaali- ja integraalilaskenta

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 7: Pienimmän neliösumman menetelmä ja Newtonin menetelmä.

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

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

Differentiaalilaskennan tehtäviä

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

KIINTEÄN AINEEN JA NESTEEN TILANYHTÄLÖT

Ratkaisut 3. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Fysiikan laboratoriotyöt 1, työ nro: 2, Harmoninen värähtelijä

Koesuunnitelma Alumiinin lämpölaajenemiskertoimen määrittäminen

PHYS-A1110 Laboratoriotyöosuus. Vastaava opettaja Jani Sainio puh: huone 138 (OK 4A)

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

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

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Laskuharjoitus 2 Ratkaisut

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

Teddy 1. harjoituksen malliratkaisu kevät 2011

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Harjoitus 1. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016. Tehtävä 1 Selitä käsitteet kohdissa [a), b)] ja laske c) kohdan tehtävä.

Harjoitus 3: Regressiomallit (Matlab)

VI TILANYHTÄLÖ

Käyttämällä annettua kokoonpuristuvuuden määritelmää V V. = κv P P = P 0 = P. (b) Lämpölaajenemisesta johtuva säiliön tilavuuden muutos on

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Kahden suoran leikkauspiste ja välinen kulma (suoraparvia)

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

Mittaustekniikka (3 op)

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Ohjeita fysiikan ylioppilaskirjoituksiin

Fysiikan kurssit. MAOL OPS-koulutus Naantali Jukka Hatakka

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

ABHELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Laskuharjoitus 3 Ratkaisut

Massakeskipiste Kosketusvoimat

Harjoitus 3: Regressiomallit (Matlab)

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Luku 8. Mekaanisen energian säilyminen. Konservatiiviset ja eikonservatiiviset. Potentiaalienergia Voima ja potentiaalienergia.

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,

Thermodynamics is Two Laws and a Li2le Calculus

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

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa I

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet

Kuva 1. Ohmin lain kytkentäkaavio. DC; 0 6 V.

CHEM-A1410 Materiaalitieteen Perusteet Luento 3: Mekaaniset ominaisuudet Ville Jokinen

Lämpöistä oppia Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka

4B6A. KIMMOISUUSTUTKIMUKSIA

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

Mittaustulosten käsittely

Ratkaisut 2. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016. Tehtävä 1 Selitä käsitteet kohdissa a) ja b) sekä laske c) kohdan tehtävä.

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

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

(b) Tunnista a-kohdassa saadusta riippuvuudesta virtausmekaniikassa yleisesti käytössä olevat dimensiottomat parametrit.

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

x = π 3 + nπ, x + 1 f (x) = 2x (x + 1) x2 1 (x + 1) 2 = 2x2 + 2x x 2 = x2 + 2x f ( 3) = ( 3)2 + 2 ( 3) ( 3) = = 21 tosi

Matematiikka B1 - avoin yliopisto

Johdatus regressioanalyysiin. Heliövaara 1

Lisätehtäviä. Rationaalifunktio. x 2. a b ab. 6u x x x. kx x

1 Tieteellinen esitystapa, yksiköt ja dimensiot

Harjoitus 6 -- Ratkaisut

Luento 3. Millerin indeksit Kidevirheet Röntgendiffraktio Elastisuusteoria

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

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

Termodynaamisten tasapainotarkastelujen tulokset esitetään usein kuvaajina, joissa:

SCI-C0200 Fysiikan ja matematiikan menetelmien studio (10 op) Aloitusluento. Mika Sillanpää Kai Virtanen

(c) Kuinka suuri suhteellinen virhe painehäviön laskennassa tehdään, jos virtaus oletetaan laminaariksi?

Työ 21 Valon käyttäytyminen rajapinnoilla. Työvuoro 40 pari 1

tutustuttaa materiaalien lujuusominaisuuksiin luentoja perusteellisemmin

Palkin taivutus. 1 Johdanto. missä S on. määritetään taivuttamalla. man avulla.

S , Fysiikka III (S) I välikoe Malliratkaisut

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

Harjoitus 10. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

RATKAISUT a + b 2c = a + b 2 ab = ( a ) 2 2 ab + ( b ) 2 = ( a b ) 2 > 0, koska a b oletuksen perusteella. Väite on todistettu.

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Yksisuuntainen varianssianalyysi (jatkoa) Heliövaara 1

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Regressioanalyysi. Kuusinen/Heliövaara 1

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

TIETOKONE DATA-ANALYYSIN APUVÄLINEENÄ PIKAOPAS

Transkriptio:

Lämpötila Lämpölaajeneminen Ideaalikaasu Luku 17

Ch 17-1 3

Termodynaaminen tasapaino Termodynaaminen tasapaino: Tuotaessa kaksi systeemiä lämpökontaktiin niiden termodynaaminen tasapaino on saavutettu, kun systeemien makroskooppiset ominaisuudet eivät enää muutu. Lämpökontakti: Jos toista kappaletta lämmitetään, toisen ominaisuudet muuttuvat

Termodynamiikan nollas pääsääntö Jos kaksi systeemiä on termodynaamisessa tasapainossa kolmannen kanssa, ne ovat termodynaamisessa tasapainossa myös keskenään. Tämä antaa mahdollisuuden määritellä lämpötila. Jos kaksi systeemiä on termodynaamisessa tasapainossa, niillä on sama lämpötila. T

Ch 17-4 Lämpölaajeneminen

Aineen lämpölaajenemista kuvataan tilavuuden lämpölaajenemiskertoimella β = ΔV /V o ΔT ja pituuden lämpölaajenemiskertoimella Lämpölaajeneminen α = ΔL / L o ΔT Kiinteälle homogeeniselle ja isotrooppiselle aineelle pätee β 3α. V = V o ( 1+ βδt )

Esimerkki 17-3 Teräsrakenteinen silta on 200m pitkä kun ulkoilman lämpötila on 20 C. Sillan lämpötilan odotetaan vaihtelevan kuuman kesäpäivän +40 C:sta talven -30 C:een. Määritä kuinka paljon sillan pituus voi vaihdella. Esimerkkien ratkaisut löytyvät kurssin oppikirjasta

Esimerkki 17-7 Auton teräksestä valmistetun bensatankin tilavuus on 70 litraa. Tankki täytetään +20 C:lla bensiinillä aivan täyteen. Auto seisoo auringossa ja sen lämpötila nousee +40 C:een. Selvitä mitä tapahtuu tankille ja bensalle. Esimerkkien ratkaisut löytyvät kurssin oppikirjasta

Ch 17-5 Lämpöjännitys

Esimerkki 17-8 Amerikkalainen valtatie on tehty betonikappaleista, joiden pituus on 10 m ja poikkipinta-ala 0,2 m 2. Ne on asennettu 10 C:een lämpötilassa kiinni toisiinsa. Määritä puristusjännitys 40 C:een lämpötilassa. Kestääkö betoni? Esimerkkien ratkaisut löytyvät kurssin oppikirjasta

Ch 17-6 10 Ideaalikaasu

Kaasut Kaasuille pätee lim P 0 PV NT = k Tästä saadaan ideaalikaasun tilanyhtälö pv = nrt pv = NkT

Kaasulämpömittari ja lämpötila-asteikko Mitataan lämpötilaa ja painetta. Havaitaan lineaarinen riippuvuus. Kalibroidaan lämpötilaasteikko käyttäen ekstrapoloitua (p,t) pistettä (0,0) ja veden kolmoispistettä 611,73 Pa, 273,16 K)

Esimerkit oppikirjasta ja niiden oppimistavoitteet 17-1 Atomien välinen etäisyys kiinteässä aineessa 17-2 Celsius-Fahrenheit muunnos 17-3 Pituuden lämpölaajeneminen 17-5 Pyöreän kappaleen halkaisijan lämpölaajeneminen 17-7 Nesteen ja tankin tilavuuden lämpölaajeneminen 17-10 Ideaalikaasun moolitilavuuden määrittäminen 17-11 Kaasun määrän laskeminen 17-12 Kaasun massan laskeminen 17-13 Paineen muuttuminen läpötilan muuttuessa 17-14 Vetyatomin massan määrittäminen

Luku 12-4 5 & 17-5 Kertausta Uutta Elastisuus Hooken laki Jännitys ja venymä Lämpöjännitys Funktiomittauksesta ja virheen määrittämisestä

Ch 12-4&5 Elastisuudesta ja lujuudesta

Vetävä voima Materiaalin kuormittaminen Puristava voima Leikkaava voima

Jännitys ja venymä Hooken laki F = k l Δl = 1 k F Jousivakio k riippuu langan dimensioista Saatiin malli Δl = l o EA F k = E A l o Lisäksi tarvitaan materiaalia kuvaava kimmokerroin E.

Määritelmät Jännitys ja venymä jännitys venymä σ = F A ε = Δl l o Hooken laki uudelleen σ = εe

Murtojännitys Elastisuus Suhteellisuusraja Plastinen alue Jännitys Elastinen alue Kimmoraja Venymä

Funktiomittauksesta ja virheen arvioinnista

Esimerkki funktiomittauksesta Tutkitaan alumiinilangan venymistä voiman funktiona Osoitetaan teorian pätevyys Määritetään teoriaan liittyvät parametrit

Esimerkki funktiomittauksesta Tutkitaan alumiinilangan venymistä voiman funktiona Osoitetaan teorian pätevyys jännitys venymä jännityksen ja venymän riippuvuus saadaan F A = E Δl l o σ = εe Δl = l o EA F Määritetään teoriaan liittyvät parametrit: langan kimmokerroin σ = F A ε = Δl l o lineaarinen riippuvuus E Kokeessa voimaa muutetaan lisäämällä massaa F = mg

Esimerkki funktiomittauksesta Mittaukset m (g) l (mm) 530 0,11 1030 0,20 1520 0,28 2070 0,41 2560 0,52 langan pituus 0 = (1,000 ± 0,005) m langan halkaisija d = (1,00 ± 0,05) mm

Esimerkki funktiomittauksesta Lasketaan voima Piirretään graafi m (g) F (N) l (mm) 530 5,2 0,11 1030 10,1 0,20 1520 14,9 0,28 2070 20,3 0,41 2560 25,1 0,52 Pituuden muutos (mm)

Esimerkki funktiomittauksesta Sovitetaan suora (lineaarinen regressio) y = kx + b Sovitus voidaan tehdä piirtämällä, mutta tämän kurssin laboratroriotöissä suositaan pienimmän neliösumman (PNS) menetelmää Pituuden muutos (mm) Sisäänrakennettuna esim. Excel (Trendline, Data analysis > Regression) Matlab (suora.m), Origin (Linear Fit) Miksi piirtää suora, kun voi laskea pisteittäin? Suora testaa mallia Karkeat virheet jää huomaamatta Systemaattinen virhe voi vääristää tulosta

Esimerkki funktiomittauksesta Sovitus antaa kulmakertoimen k = 0,0206 mm / N k = Δy Δx ja vakiotermin b = 0,01 mm PNS-menetelmä antaa myös virherajat, joten voidaan kirjoittaa k = (0,0206 ± 0,0009) mm / N b = ( 0,01 ± 0,01) mm Pituuden muutos (mm) Δx Δy PNS-menetelmällä voi sovittaa myös muita funktioita Vertailua voi tehdä myös Sovittamalla jotain muuta funktiota kuin suoraa Laskemalla teorian mukaisen käyrän ja piirtämällä sen yhdessä mittaustulosten kanssa

Esimerkki funktiomittauksesta Samaistetaan teoriaan Δl = l o EA F y = k x + b Teorian mukaan b=0 Vakiotermi on silti hyvä olla mukana, sillä se kertoo systemaattisesta virheestä Pituuden muutos (mm) k = l o EA E = l o ka E = 1m 0,0206mm / N π 0,5mm ( ) 2 61,808 109 N / m 2

Esimerkki funktiomittauksesta Lasketaan tuloksen virhearvio Käytetään kokonaisdifferentiaalia, eli lasketaan funktion osittaisderivaatta (herkkyys) jokaisen muuttujan suhteen ja kerrotaan kunkin muuttujan virheellä. Kahden muuttujan tapauksessa esim. f = f(x,y) f = E( l o,k,d) = 4l o kπd 2 ( ) = f ( x, y ) Δf x, y x ( ) Δx + f x, y y Tässä esimerkissä kyseessä on kolmen muuttujan funktio ΔE = E l o Δl o + E k Δk + E d Δd A = πd 2 / 4 Δy

Esimerkki funktiomittauksesta Lasketaan Saadaan ΔE = E l o ΔE = ΔE = ΔE = l o 4 kπd 2 Δl o + E k 4l o kπd 2 4 kπd 2 Δl o + ΔE = 4l o Δl o kπd 2 l o ΔE = 4l o kπd 2 Δk + E d Δd Δl o + k Δl o + 4l o k 2 πd 2 Δl o l o 4l o kπd 2 Δk + 2 4l o kπd 3 4l o k 2 πd 2 Δk + 8l o kπd 3 Δd + 4l o Δk kπd 2 k + 4l o 2Δd kπd 2 d + Δk k + 2Δd d = E Δk + d Δl o l o Δd 4l o kπd 2 + Δk k + 2Δd d Δd ΔE = 61,8Gpa 5mm 1m + 0,0009mm / N 0,0206mm / N + 2 0,05mm 1mm 6,10GPa

Huomio osittaisderivaatan laskemisesta Kirjoitetaan suhteellisen virheen lauseke ΔE E = Δl o + Δk l o k + 2Δd d Jos derivoitava lauseke sisältää vain kerto-, jako- ja potenssilaskuja, suhteellinen virhe saadaan laskettua helposti. Esimerkiksi f = x2 ab 4 y1/3 Δf f = 2 Δx x + 1 3 Δy y + Δa a + 4 Δb b

Esimerkki funktiomittauksesta Lopputulos E = ( 62 ± 6)GPa Virhetermiin vain yksi merkitsevä numero ja lopputuloksen pyöristys sen mukaisesti Verrataan kirjallisuuteen Table 12-1 => EAl = 70 GPa

Mitä muistaa tästä kurssin laboratoriotöitä varten? Laadi graafiset esitykset huolella Funktiomittaus Funktiomittaus antaa yleensä parempia tuloksia kuin toistomittaus Kulmakertoimen hyödyntäminen Sovittaminen Virhearviointi Suhteellisen virheen laskeminen Saatu virheen suuruusluokka määrittää lopputuloksen tarkkuuden

Vetojännitys, puristusjännitys ja leikkausjännitys Analoginen lauseke Eri geometria Δl = 1 E F A l o Δl = 1 E F A l o Δl = 1 G F A l o

Kokoonpuristuvuus ΔV V = 1 B ΔP

Kimmokerroin Liukukerroin Puristuskerroin

Venymä ja puristuma Usein mukana on molemmat Yläpinnalla puristumaa keskiviivalla ei jännitystä eikä puristumaa alapinnalla vetojännitystä Miksi ratakisko on I-palkki?

Esimerkit oppikirjasta ja niiden oppimistavoitteet 12-7 Jännitys pianon kielessä 12-8 Pianon kielen katkaiseminen 17-8 Lämpölaajeneminen ja puristusjännitys