PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

Samankaltaiset tiedostot
PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

1 Clausiuksen epäyhtälö

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Clausiuksen epäyhtälö

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

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 9 /

6. Yhteenvetoa kurssista

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

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

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

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

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

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

Palautus yhtenä tiedostona PDF-muodossa viimeistään torstaina

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

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

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

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-A0120 Termodynamiikka. Emppu Salonen

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

Luku 8 EXERGIA: TYÖPOTENTIAALIN MITTA

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

2. Termodynamiikan perusteet

Lämpöopin pääsäännöt

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

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

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

VIII KIERTOPROSESSIT JA TERMODYNAAMISET KONEET 196

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

Luku Pääsääntö (The Second Law)

infoa tavoitteet E = p2 2m kr2 Klassisesti värähtelyn amplitudi määrää kokonaisenergian Klassisesti E = 1 2 mω2 A 2 E = 1 2 ka2 = 1 2 mω2 A 2

Statistinen fysiikka, osa A (FYSA241)

Fysiikan maailmankuva 2015 Luento 8. Aika ja ajan nuoli lisää pohdiskelua Termodynamiikka Miten aika ja termodynamiikka liittyvät toisiinsa?

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

Biofysiikka Luento Entropia, lämpötila ja vapaa energia. Shannonin entropia. Boltzmannin entropia. Lämpötila. Vapaa energia.

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

1. Johdanto. FYSA241, kevät Tuomas Lappi kl Huone: FL249. Ei kiinteitä vastaanottoaikoja.

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

7 Termodynaamiset potentiaalit

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

Mekaaninen energia. Energian säilymislaki Työ, teho, hyötysuhde Mekaaninen energia Sisäenergia Lämpö = siirtyvää energiaa. Suppea energian määritelmä:

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

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

FY9 Fysiikan kokonaiskuva

3. Statistista mekaniikkaa

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

Teddy 1. välikoe kevät 2008

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

TILASTOLLISEN KVANTTIMEKANIIKAN PERUSTEITA (AH ) Mikrotilat (kertausta Kvanttimekaniikan kurssilta)

Kemiallinen reaktio

= 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

Entrooppiset voimat. Entrooppiset voimat Vapaan energian muunnoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

2. Termodynamiikan perusteet

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

YLIOPISTO-OPISKELIJOIDEN KÄSITYKSET ENTROPIASTA JA TERMODYNAMIIKAN TOISESTA PÄÄSÄÄNNÖSTÄ

DEE Kryogeniikka

Luku 6 TERMODYNAMIIKAN TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

3Työ. 3.1 Yleinen määritelmä

Termodynaamiset syklit Todelliset tehosyklit

3. Statistista mekaniikkaa

kuonasula metallisula Avoin Suljettu Eristetty S / Korkealämpötilakemia Termodynamiikan peruskäsitteitä

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

6. Entropia, lämpötila ja vapaa energia

KLASSISET TASAPAINOJOUKOT (AH 4.3, , 7.2) Yleisesti joukoista

4. Termodynaamiset potentiaalit

Suurkanoninen joukko

Termodynamiikan toinen pääsääntö (Second Law of Thermodynamics)

Transkriptio:

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017 Emppu Salonen Lasse Laurson Toni Mäkelä Touko Herranen Luento 4: entropia Pe 3.3.2017 1

Aiheet tänään 1. Klassisen termodynamiikan entropia 2. Entropian tilastollinen määritelmä 3. Entropian tulkinnasta 2

Osaamistavoitteet 1. Osaat esittää entropian sekä klassisen termodynamiikan että tilastollisen määritelmän 2. Osaat omin sanoin määritellä mitä entropia kuvaa (ja mitä ei!) 3. Osaat laskea entropian muutoksia yksinkertaisissa termodynaamisissa prosesseissa 3

Klassisen termodynamiikan entropia 4

Kertausta: palautuva prosessi Prosessi on palautuva jos ja vain jos sen suunta voidaan täysin kääntää infinitesimaalisella muutoksella vallitsevissa olosuhteissa Suunnan muutos äärellisellä muutoksella ei ole riittävä ehto Tehdyn työn ja siirtyneen lämmön suunta vaihtuu Käänteisprosessissa systeemi ja ympäristö palaavat alkutiloihinsa 5

Kertausta: palautuvan prosessin ehdot 1. Prosessin täytyy olla kvasistaattinen 2. Prosessiin ei saa liittyä muistiefektejä (hystereesiä) toisin sanoen käännettäessä prosessi palaamme takaisin täsmälleen samaa reittiä pitkin ferromagneettisen aineen magnetoituma M magneettikentään voimakkuuden H funktiona ei-palautuva mekaaninen vaste venyttävälle voimalle 6

Kertausta: termodynamiikan 2. pääsääntö Rudolf Clausius: On mahdotonta rakentaa kiertokone, jonka ainoa vaikutus on lämmön siirtäminen kylmästä kappaleesta kuumempaan. tai Ei ole mahdollista toteuttaa prosessia, jonka ainoa lopputulos on lämmön siirtäminen kylmemmästä kappaleesta kuumempaan. 7

Kertausta: termodynamiikan 2. pääsääntö Kelvin: On mahdotonta rakentaa kiertokone, jonka ainoa vaikutus on muuntaa lämpövarannosta siirretty tietty määrä lämpöä kokonaan mekaaniseksi työksi. tai Ei ole mahdollista toteuttaa prosessia, jonka ainoa lopputulos on lämmön täydellinen muuntaminen mekaaniseksi työksi. 8

Ideaalikaasun isoterminen laajeneminen Kaasuun tuodaan määrä Q lämpöä...... ja koska ideaalikaasun sisäenergia ei muutu isotermillä... Q = -W...... niin eikö tässä juuri rikota termodynamiikan 2. pääsääntöä?! No ei. Prosessin ainoa vaikutus ei ole lämmön muuttaminen kokonaan työksi. W BA 9

Kertausta: Carnot n teoreema 1. Tehokkain mahdollinen kone toimii kiertokoneena kahden lämpövarannon välillä 2. Kierron tulee olla palautuva... 3.... ja tällöin konetta voi ajaa myös vastakkaiseen suuntaan Millään kahden lämpövarannon välillä toimivalla koneella ei voi olla suurempi hyötysuhde kuin samojen lämpövarantojen välillä toimivalla Carnot n koneella 10

Kertausta: Carnot n kone Hyötysuhde 11

Kertausta: Carnot n kone Palautuvalle prosessille Palautumattomalle prosessille Yksikin palautumaton osa (kierto)prosessissa tekee siitä palautumattoman 12

Yleistä kiertoprosessin tarkastelua Lämpövaranto T 0 C Clausiuksen epäyhtälö systeemi kts. moniste MyCourses-sivulla! 13

Mitä entropia kuvaa? Alkunperin: hukkalämpöä, poikkeamaa ideaalisen lämpövoimakoneen hyötysuhteesta Työhön käytettävän energian vähenemistä (energian jalouden väheneminen) Energian hajaantumista Tämä on moderni, jo monien oppikirjojen käyttämä kuvaus entropiasta klassisen termodynamiikan puitteissa. Se on hyödyllinen entropian muutosten ymmärtämisessä, mutta statistinen fysiikka tarjoaa vieläkin yleisemmän tulkinnan entropiasta. 14

Ajan nuoli Kaikki luonnolliset prosessit ovat palautumattomia Mekaniikan liikeyhtälöt ovat täysin käännettävissä ajassa (t -t) ilman mitään keinoa tietää kulkeeko aika eteen vai taaksepäin Entropia antaa nyt luonnollisille prosesseille ja ajalle suunnan 15

Termodynamiikan 1. pääsääntö Differentiaalimuoto Työlle epäyhtälö Nyt lämpöön liittyen Yhtäsuuruus palautuvalle prosessille Palautuvalle prosessille siis 16

Termodynamiikan 1. pääsääntö Mutta sisäenergia on tilanfunktio! Tällöin on aina voimassa Yleinen muoto Tämä siis pätee aina, koska sisäenergia on tilanfunktio: sen muutoksia voidaan laskea mitä tahansa polkua käyttäen, kunhan alku- ja lopputilat ovat kiinnitetyt. Huom! Tästä puuttuu vielä hiukkasten vaihtoon liittyvä muutos sisäenergiassa (tähän palataan myöhemmin kurssilla) jossa X i on systeemiin tehtyyn työhön liittyvä intensiivinen suure (yleistetty voima) ja x i puolestaan samaan työn laatuun liittyvä intensiivinen suure (yleistetty siirtymä) 17

Entropian tilastollinen määritelmä 18

Boltzmannin yhtälö Ensimmäisestä pääsäännöstä Edellinen luento (eristetty systeemi) Eristetylle systeemille (mikrokanoninen ensemble) 19

Graafinen esitys Entropian kulmakerroin Entropian kaarevuus Harjoitus: Mitä nollakaarevuus tarkoittaa? 20

Systeemi ja lämpövaranto Systeemi termisessä kontaktissa lämpövarannon (T v ) kanssa Mitä tapahtuu? Miten kokonaisentropia muuttuu? Kuvan esimerkissä systeemi lämpenee lämpövarannon lämpötilaan T V Systeemin entropia kasvaa enemmän kuin lämpövarannon entropia pienenee kokonaisentropia kasvaa Sama pätee myös tapaukselle, jossa systeemi jäähtyy lämpötilaan T V (kokeile!) 21

Eristetty systeemi Entropia saavuttaa maksimin termodynaamisessa tasapainossa 1 2 Mitä tämä tarkoittaa? 22

Tulkinta? Mitta mikrotilojen lukumäärälle, jotka tuottavat saman makrotilan Mitta kaiken turhuudelle, kaikki päättyy lämpökuolemaan Epätasapainotilaa vastaa pienempi määrä mikrotiloja Kuvaa järjestelmän kykyä tehdä työtä (pieni entropia enemmän kykyä tehdä työtä) Suuri entropia systeemin kuvaukseen tarvitaan enemmän informaatiota Pohdintaa luennolta - lue, punnitse ja muotoile omaa käsitystäsi! 23

Tulkintaa keväältä (2016) Entropia kuvaa vapaavalinnaisuutta, moni vaihtoehtoja Homogeenisyyden mitta Positiivinen muutos johtaa tilaan, josta on vaikeampi päästä pois Kasvu kuvaa sitä, miten energia muuttuu lämmöksi Ikiliikkujan pahin vihollinen Tasapainotilan mitta jossakin mielessä Energian hyödyttömyyden mitta Hukkalämpö Maailmanlopun airut Ajan suunta Tässä vielä hieman ajatuksia viime kevään kurssilta 24

Gibbsin entropia Yleinen muoto systeemin entropialle (ei välttämättä eristetty systeemi) Oppikirjan teksti on tältä osin hieman sekava mikrotilan i todennäköisyys Yhtälössä p i on nimenomaan mikrotilan i todennäköisyys, ei makrotilan Kts moniste MyCourses-sivulla Huom! Mikrokanoniselle ensemblelle 25

Entropian muutoksen laskeminen Esim. kun lämpöä siirtyy systeemin ja ympäristön välillä, eikä faasimuutosta tapahdu 26

Entropian muutoksen laskeminen 1 (palautumaton) A B 2 (palautuva) Palautumattomalle prosessille voidaan löytää yksi tai useampi palautuva prosessi, jolla systeemi saatetaan oikeaan lopputilaan Vrt. Joulen laajeneminen B&B:n kappaleessa 14.4 27

Entropian tulkinnasta 28

Keskustelua Entropia on epäjärjestyksen mitta 29

Esimerkki Onsager: isotrooppinen nemaattinen faasitransitio nestekiteille Suuntautumisen vs. siirtymisen vapaus nemaattinen faasi isotrooppinen faasi faasitransitio kun systeemin kokonaistilavuus pienenee; entropian kasvu johtaa järjestäytyneempään tilaan! D. Frenkel, Nature materials, tammikuu 2015 Löytyy nyt MyCoursesista 30