PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Samankaltaiset tiedostot
PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

1 Clausiuksen epäyhtälö

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

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

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

Clausiuksen epäyhtälö

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

3Työ. 3.1 Yleinen määritelmä

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

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

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Lämpöopin pääsäännöt

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

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

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

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

FY9 Fysiikan kokonaiskuva

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

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

Ensimmäinen pääsääntö

VIII KIERTOPROSESSIT JA TERMODYNAAMISET KONEET 196

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

PHYS-A0120 Termodynamiikka. Emppu Salonen

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

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

Teddy 1. välikoe kevät 2008

VII LÄMPÖOPIN ENSIMMÄINEN PÄÄSÄÄNTÖ

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

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

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Palautus yhtenä tiedostona PDF-muodossa viimeistään torstaina

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Thermodynamics is Two Laws and a Li2le Calculus

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

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

2. Termodynamiikan perusteet

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

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

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ

Valitse seuraavista joko tehtävä 1 tai 2

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

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

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

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

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt

6. Yhteenvetoa kurssista

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

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

7 Termodynaamiset potentiaalit

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

2. Termodynamiikan perusteet

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

Luku 8 EXERGIA: TYÖPOTENTIAALIN MITTA

Luku Pääsääntö (The Second Law)

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

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

Thermodynamics: An Engineering Approach, 7 th Edition Yunus A. Cengel, Michael A. Boles McGraw-Hill, Luku 7 ENTROPIA

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

TERMODYNAMIIKAN KURSSIN FYS 2 KURS- SIKOKEEN RATKAISUT

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Torstai klo Termodynamiikan käsitteitä

Tarvittavat välineet: Kalorimetri, lämpömittari, jännitelähde, kaksi yleismittaria, sekuntikello

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

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

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

4. Termodynaamiset potentiaalit

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

Termofysiikan perusteet

Termodynaamiset syklit Todelliset tehosyklit

782630S Pintakemia I, 3 op

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

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

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

Transkriptio:

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016 Emppu Salonen Prof. Peter Liljeroth Viikko 2: Työ ja termodynamiikan 1. pääsääntö Maanantai 7.11. ja tiistai 8.11.

Kurssin aiheet 1. Lämpötila ja lämpö 2. Työ ja termodynamiikan 1. pääsääntö 3. Lämpövoimakoneet ja termodynamiikan 2. pääsääntö 4. Entropia 5. Termodynaamiset potentiaalit 6. Faasimuutokset

Aiheet tällä viikolla Työ Termodynamiikan 1. pääsääntö Lämpökapasiteeteista Ideaalikaasusta lisää Termodynamiikan perusprosesseja

Tavoitteet Osaat määritellä ja selittää termodynamiikan käsitteet työ, kvasistaattinen prosessi, ideaalikaasu (klassisen termodynamiikan mukainen määritelmä) Osaat matemaattisesti muotoilla ja selittää termodynamiikan 1. pääsäännön Osaat laskea tehdyn työn ja siirtyneen lämmön ideaalikaasun yksinkertaisissa termodynaamisissa prosesseissa (isokoorinen, isobaarinen, isoterminen, adiabaattinen)

Kertaus: isotermit 3 1 2 Tarkastellaan ideaalikaasusysteemiä pisteessä1. Mitä tapahtuu, kun systeemi tuodaan termiseen kontaktiin toisen, ainemäärältään saman, ideaalikaasusysteemin kanssa, joka on pisteessä 2, 3 tai 4? 4

Avogadron luku à la Kelvin 1. Otetaan lasi vettä ja merkitään kukin vesimolekyyli taikakynällä. 2. Kaadetaan vesi lasista mereen ja annetaan molekyylien sekoittua täydellisesti. 3. Otetaan merestä lasi vettä. Kuinka monta taikakynällä merkittyä vesimolekyyliä lasissa on? ~ 100

Työ

Työ Yleisesti: työ on voiman integraali valittua reittiä pitkin (nk. viivaintegraali) 2 1 paikallinen voima reitillä reitin infinitesimaalinen viivaelementti Kts. esim. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/wint.html

Työ Tarkastellaan ideaalikaasua, joka on suljettu tiiviiseen säiliöön, jonka päässä on täysin kitkaton mäntä Painetaan nyt mäntää voimalla F alaspäin, puristaen kaasua kokoon Mikä on männän kaasuun tekemä työ?

Työ Tarkastellaan ensin tapausta, jossa ulkoinen paine p m on sama kuin kaasun paine p Männän kaasuun tekemä infinitesimaalinen työ

Kvasistaattinen prosessi Kun kaasua puristetaan infinitesimaalisen pienissä askelissa dv, ulkoisen paineen jatkuvasti muuttuessa kaasun paineen mukaisesti, prosessi on kaasun kannalta jatkumo tasapainotiloja Tällaista prosessia kutsutaan kvasistaattiseksi ( näennäisesti muuttumaton ) W BA Kvasistaattinen prosessi voidaan kuvata yhtenäisenä käyränä pvkuvaajassa, ja tehty työ on käyrän ja V-akselin väliin jäävä pinta-ala

Ei-kvasistaattiset prosessit Entä jos prosessi ei olekaan kvasistaattinen (edes likimääräisesti)? Pohdi tapauksia 1) Kaasua puristetaan paineella p 0, joka on suurempi kuin kaasun paine p 2) Kaasu laajenee hyvin nopeasti esim. männän nostamisen myötä Miten prosesseissa tehty työ poikkeaa kvasistaattisesta tapauksesta? W BA

Ei-kvasistaattiset prosessit 1) Nopea puristus: Työhön liittyvä paine p 0 1) puristus 2) Laajeneminen: sama epäyhtälö! Yleisesti siis 2) laajeneminen

Ei-kvasistaattiset prosessit Työhön liittyvä paine p 0 1) puristus Mikäli työ tapahtuu mustalla merkittyä kiertoprosessia pitkin, puristuksessa tehty työ on suurempi kuin kaasun laajenemisessa tekemä työ Tällöin kiertoprosessin nettovaikutus on, että ympäristö tekee systeemiin työtä 2) laajeneminen Vrt. kvasistaattinen prosessi (punainen katkoviiva molempiin suuntiin), jossa kaasun puristukseen ja laajenemiseen liittyvät työt summautuvat nollaksi

Paineen systeemiin tekemä puristustyö Tämä käsittely voidaan yleistää mielivaltaiselle systeemille siten, että työ lasketaan summaamalla (integroimalla) pinnan pienten tilavuuselementtien yli (alla kuvassa pinta-ala da), joihin kohdistuu ulkoinen paine p (* Tilavuuden muutos V V - dv Paine Tämän ongelman yksityiskohtainen käsittely ei ole tarpeen tällä kurssilla; nyt riittää, että ymmärrät työn laskemisen periaatteen da p *) Paine voi myös vaihdella paikallisesti. Kokonaistyö saadaan edelleen integroimalla paikallisesti tehty työ kaikkien pintaelementtien yli

Työ ei ole tilanfunktio (graafinen esitys) 1 Kuljettaessa tilasta 1 tilaan 2 eri reittejä pitkin (sininen, punainen, vihreä), tehty työ eli reitin käyrän ja V-akselin väliin jäävä pinta-ala on selvästi eri suuruinen eri reiteillä 2 Tehty työ siis riippuu valitusta reitistä ja tällöin työ ei voi olla tilanfunktio

Toinen esimerkki: pintajännitys dx Oheisessa koejärjestelyssä kaksi neste-ilma-rajapintaa, josta tekijä 2 yhtälön vasemmalla puolella Yhtä neste-ilma-rajanpintaa kohti (kuvan notaatiolla) Pintajännitys: faasirajapinnan tasossa rajapintaa kohtisuora voima F per (rajapinnan) yksikköpituus (yksikkö: N/m)

Erilaisia työn laatuja Tilavuuden muutos paineen vuoksi Pituuden muutos jännityksen f vuoksi Pinta-alan muutos pintajännitystä vastaan Varauksen siirto sähköstaattisessa potentiaalissa Dipolimomentin muutos sähkökentässä

Yleinen tapaus yleistetty voima (intensiivinen) yleistetty siirtymä (ekstensiivinen) Yksiköille pätee:

Termodynamiikan 1. pääsääntö

James Joulen kokeet James P. Joule Wherever mechanical force is expended, an exact equivalent of heat is always obtained (1843) Nesteeseen tehdyn työn laadusta huolimatta lämpötilan muutos tiettyä energiamäärää kohden oli aina sama

Termodynamiikan 1. pääsääntö Lämpö ja työ ovat molemmat tapoja muuttaa systeemin sisäenergiaa. Muotoillaan täten yleinen energian säilymislaki (Helmholtz, 1847) Differentiaalimuodossa Huomaa etumerkkikonventiot! Näillä valinnoilla Q on systeemin siirretty lämpö ja W on systeemiin tehty työ (erityisesti W:n etumerkki voi vaihdella lähteestä toiseen) Esim. negatiivinen W:n arvo tarkoittaa siis, että systeemi tekee työtä ympäristöön Tarkastelemme myöhemmin vielä kemiallisen energian osuutta systeemin energiaan

Sisäenergia on tilanfunktio Tarkastellaan prosessia 1 2 1 3 2 Sisäenergian muutoksen voi laskea mielivaltaista reittiä pitkin kvasistaattisella prosessilla, esim. 1 3 2 tai 4 tai 1 4 2 Mikä tahansa muukin reitti kelpaa, vain prosessin alkuja lopputiloilla on väliä!

Lämpökapasiteeteista

Lämpökapasiteetit C V ja C p Johdetaan lämpökapasiteetit C V ja C p yksinkertaiselle systeemille Kts. moniste

Ideaalikaasusta lisää

Lisää Joulen kokeita T? Kaasun vapaa laajeneminen (W = 0) lämpöeristetyssä kammiossa Alhaisessa paineessa kaasulla ei havaittavaa muutosta lämpötilassa

Ideaalikaasun (klassinen) määritelmä 1) Noudattaa tilanyhtälöä 2) Vakioainemäärällä sisäenergia on vain lämpötilan funktio

Lämpökapasiteetti vakiopaineessa C p Edellisellä luennolla johdettu Tilanyhtälöstä 0 Molaarisille ominaislämmöille

Kokeellisia arvoja (T = 15 o C) Ominaislämpö (kj/kg K) Molaarinen ominaislämpö (J/mol K) c p - c V Kaasu c v c p c v c p (J/mol K) He 3,14 4,81 12,47 20,80 8,33 Ne 0,62 1,03 12,47 20,80 8,33 N 2 0,74 1,04 20,76 29,09 8,33 O 2 0,65 0,91 21,06 29,43 8,37 CO 2 0,64 0,83 28,46 36,96 8,50 H 2 O (100 o C) 1,46 2,02 25,95 34,32 8,37 R = 8,314 J mol -1 K -1

Termodynamiikan perusprosesseja

Termodynaamisia prosesseja

Isokoorinen prosessi Myös: isovoluuminen prosessi 2 Määritä prosessissa 1 2 tehty työ W ja siirtynyt lämpö Q 1 Lämpötilaero ΔT saadaan tilanyhtälöstä

Isobaarinen prosessi Määritä prosessissa 1 2 tehty työ W ja siirtynyt lämpö Q 1 2 Lämpötilaero ΔT jälleen tilanyhtälöstä

Lämpövaranto (myös lämpökylpy, termostaatti) Termisessä kytkennässä oleva ympäristön osa, jolla on erittäin suuri lämpökapasiteetti (~ ääretön) systeemin lämpökapasiteettiin verrattuna T systeemi = T ympäristö

Isoterminen prosessi 1 Määritä prosessissa 1 2 tehty työ W ja siirtynyt lämpö Q 2 Ideaalikaasulle

Ideaalikaasun sisäenergian muutos ΔU p 1? Isotermi, ΔU = 0 Isokoori, ΔU = C V ΔT 2 Keksi fiksuin tapa laskea ideaalikaasun sisäenergian muutos ΔU prosessissa 1 2 V

Adiabaattinen prosessi

Adiabaattinen prosessi, Q = 0 ΔU Oheinen moniste tehtiin luennolla

Ideaalikaasun adiabaatit Johdetaan ideaalikaasun adiabaattinen tilanyhtälö Kts. moniste

Kokeellisia arvoja (T = 15 o C) Ominaislämpö (kj/kg K) Molaarinen ominaislämpö (J/mol K) c p - c V γ Kaasu c v c p c v c p (J/mol K) = c p /c V He 3,14 4,81 12,47 20,80 8,33 1,67 Ne 0,62 1,03 12,47 20,80 8,33 1,67 N 2 0,74 1,04 20,76 29,09 8,33 1,40 O 2 0,65 0,91 21,06 29,43 8,37 1,40 CO 2 0,64 0,83 28,46 36,96 8,50 1,30 H 2 O (100 o C) 1,46 2,02 25,95 34,32 8,37 1,32 R = 8,314 J mol -1 K -1