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

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

Elastisuus: Siirtymä

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

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

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

Lämpöopin pääsäännöt

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

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

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

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

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

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

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

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Clausiuksen epäyhtälö

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ

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

VIII KIERTOPROSESSIT JA TERMODYNAAMISET KONEET 196

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

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

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

TERMODYNAMIIKAN KURSSIN FYS 2 KURS- SIKOKEEN RATKAISUT

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

Termodynamiikka ja nestevirtaukset

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

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

FY9 Fysiikan kokonaiskuva

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

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

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

Luento 7: Atomien ja molekyylien väliset voimat ja kineettinen kaasuteoria

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt

VII LÄMPÖOPIN ENSIMMÄINEN PÄÄSÄÄNTÖ

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

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

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

Teddy 1. välikoe kevät 2008

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

6. Yhteenvetoa kurssista

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

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

2. Termodynamiikan perusteet

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Kemiallinen reaktio

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

Chapter 3. The Molecular Dance. Luento Terminen liike Kineettinen kaasuteoria Boltzmann-jakauma Satunnaiskävely

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

PHYS-A0120 Termodynamiikka. Emppu Salonen

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

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

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

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ... 2

Valomylly. (tunnetaan myös Crookesin radiometrinä) Pieni välipala nykyisin lähinnä leluksi jääneen laitteen historiasta.

1 Clausiuksen epäyhtälö

Ensimmäinen pääsääntö

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016


ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 9 /

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Termofysiikan perusteet

Lämpöopin ensimmäinen pääsääntö ja kaasuprosessit lukiossa

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

Luku 8 EXERGIA: TYÖPOTENTIAALIN MITTA

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

kertausta edellisestä seuraa, että todennäköisimmin systeemi löydetään sellaisesta mikrotilasta, jollaisia on

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

W el = W = 1 2 kx2 1

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Valitse seuraavista joko tehtävä 1 tai 2

Monissa fysiikan probleemissa vaikuttavien voimien yksityiskohtia ei tunneta

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

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

Transkriptio:

Termodynamiikka Termodynamiikka on outo teoria. Siihen kuuluvat keskeisinä: Systeemit Tilanmuuttujat Tilanyhtälöt...jotka ovat kaikki abstraktioita Miksi kukaan siis haluaisi oppia termodynamiikkaa? Koska termodynamiikan abstraktiot kuvaavat riittävän hyvin monia tärkeitä laitteita ja koneita

Termodynamiikan käsitteet Systeemi: Hyvin määritelty universumin osa, jota tarkastellaan. Kaikki muu on ympäristöä. Tilanmuuttuja: Jokin makroskooppinen systeemin tilaa kuvaava suure, kuten tilavuus, paine, lämpötila, sisäenergia,... Tilanyhtälö: Tilanmuuttujat yhteen sitova laki. Ideat: 1. Systeemin mikroskooppisesta tilasta voidaan johtaa makroskooppiset tilanmuuttujuat 2. Systeemi on tasapainossa, jolloin tilanyhtälö pätee

Tilanmuuttujat Astian sisällä olevan kaasun tilan määräämiseen tarvitaan ainakin seuraavia: 1. Tilavuus. Epäilemättä astian tilavuus 2. Paine. Epäilemättä astiassa vaikuttava paine, joka voidaan mitata astian seinään kohdistuvasta voimasta. Seurausta astian seiniin törmäilevistä kaasumolekyyleistä. 3. Lämpötila. Ainakin jotekin mitattavissa. Saa aikaan kaasumolekyylien liikkeen. Nämä tilanmuuttujat siis tiivistävät kaasun hiukkasten tilan makroskooppisesti käyttökelpoiseen muotoon.

Lämpötila ja sen mittaaminen Yllättävää kyllä, lämpötilan mittaaminen ei ole aivan suoraviivaista. Lämpötilan mittauksen standardi on vakiotilavuuksinen kaasulämpöimttari Kaasun lämpötilan muutokset muuttavat kaasun painetta oikean putken elohopeapatsaan avulla pinta vasemmassa palautetaan referenssiin mittaustulos luetaan oikeasta putkesta Lämpötilan mittaus siis perustuu siihen, että lämpötilaerot tasoittuvat spontaanisti

Lämpötila ja sen yksikkö Vakiotilavuuksinen kaasulämpöimttari mittaa kyllä lämpötilan mutta ei anna sinällään mitään skaalaa. Jos oletetaan, että mittarin kaasu noudattaa jotenkuten ideaalikaasulakia niin valitsemalla referenssi Pref ja Tref, voidaan mitatusta P laskea T Referenssipiste on veden kolmoispiste, jossa Tref = 273,16 K = Ttp Todelliset kaasut muuttuvat ideaalisiksi vasta, kun paine on riittävän pieni on laskettava raja Pref = Ptp 0

Ideaalikaasulaki Ideaalikaasulaki on esimerkki tilanyhtälöstä, systeemi on nyt tietty määrä (kuvitteellista) kaasua ja tilanmuuttujat (yhä) paine, tilavuus ja lämpötila Isobaari, kun paine on vakio Kaksi tapaa laskea hiukkaset: Isotermi, kun lämpötila on vakio ainemäärä moolinen kaasuvakio Boltzmannin vakio hiukkasten lukumäärä

Kineettinen kaasuteoria Olisi varmaan Tosi Kiva tietää, onko ideaalikaasulailla mitään tekemistä kaasun mikroskooppisten ominaisuuksien kanssa. Katsotaan. Oletetaan kaasusta seuraavaa: 1. Kaasun molekyylejä on paljon ja ne ovat kaikki identtisiä. Molekyylien liike on satunnaista. 2. Molekyylien välinen etäisyys on keskimäärin suuri verrattuna niiden kokoon. Kaasu on siis harvaa. 3. Molekyylit noudattavat Newtonin mekaniikan yhtälöitä eikä niiden välillä ole vuorovaikutusta muulloin kuin törmäyksissä. 4. Molekyylien törmäykset astiaan ja toisiinsa ovat elastisia. Aloitetaan paineesta. Kun kaasumolekyyli törmää astian seinään, muuttuu sen liikemäärä ja törmäysten aikaväli on molekyyliä kohden

Kineettinen kaasuteoria Kun otetaan huomioon kaikki N molekyyliä ja käytetään nopeuskomponentin keskiarvoa Toisaalta ja koska liike on satunnaista Paine on siis molekyylin keskimääräinen liike-energia

Kineettinen kaasuteoria: Maxwellin vauhtijakauma Kineettisen kaasuteorian mukaan siis ideaalikaasussa Tämä on termodynamiikan mielessä hyvä tulos, sillä siinä systeemi on kokonaisenena ja ilmaistu tilanmuuttujien avulla Mutta eiväthän ne kaikki molekyylit tuolla nopeudella lentele on olemassa jokin jakauma, joka antaa tämän tuloksen On, Maxwellin vauhtijakauma: jolle

Kineettinen kaasuteoria: Maxwellin vauhtijakauma Maxwellin vauhtijakauma antaa niiden molekyylien lukumäärän, joiden vauhti on v Kun jakauma tunnetaan, voidaan laskea monia tunnuslukuja: a) keskimääräinen nopeus b) todennäköisin nopeus c) rms-nopeus

Aidot kaasut vs. ideaalikaasu Ideaalikaasulaista seuraa, että kaikki ideaalikaasut ovat samanlaisia. Todelliset kaasut eivät ole samalaisia eivätkä ideaalisia. Tämä johtuu siitä, että kaasumolekyyleillä on vuorovaikutuksia. Aito kaasu PV-tasossa: Veden faasikuvaaja: Kriittinen piste

Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö Kun lämpövoimakoneita (vaikkapa höyrykone) alettiin rakentaa tuli vastaan olleellinen kysymys: Miksi ja miten lämmöstä saa työtä ja mikä on koneen merkitys? 0 Joulen koe: mekaaninen työ nostaa säiliön nesteen lämpötilaa. James Prescott Joule (1818-1889) Termien kanssa tarkkana: Työ on mekaanista (sekoitus)työtä Sisäenergia on systeemin tilanmuuttuja, joka usein riippuu systeemin lämpötilasta Lämpö on systeemiin siirtyvää energiaa. Lämmön siirtymisen spontaanin suunnan määrä lämpötila(ero)

Sisäenergia Systeemin sisäenergia on kaikki systeemin molekyyleillä oleva energia. Siihen voi kuulua molekyylien liike-energiaa ja potentiaalienergiaa. Sisäenergiaan ei kuulu lämpö, joka on siirtyvää energiaa. Termi lämpöenergia on tämän vuoksi huono. Koska lämpö ei ole systeemin ominaisuus, ei se ole tilanmuuttujakaan. Lämpötila on tilanmuuttuja, joka määrää lämmön spontaanin siirtymissuunnan. Sisäenergialla ei ole tässä osaa eikä arpaa. Ideaalikaasun molekyylien välillä ei ole potentiaalienergiaa ideaalikaasun sisäenergia koostuu vain liike-energiasta

Takaisin ensimmäiseen pääsääntöön Systeemien kannalta jekku on seuraava: Systeemillä on aina jokin sisäenergia (tilanmuuttuja) Sisäenergiaa voidaan muuttaa kahdella tavalla: Tekemällä systeemiin työtä (Joulen koe) Tuomalla systeemiin lämpöä (systeemin lämmittäminen nostaa sen lämpötilaa) eli Systeemiin tuotu lämpö Systeemin tekemä työ

Ideaalikaasun isoterminen prosessi Ideaalikaasulle joten isotermillä Siis: Lämpöä siirtyy vaikka lämpötila ei muutu

Ideaalikaasun isoterminen prosessi: Työn laskeminen Isotermisessä prosessissa ja Oletetaan, että työ on tilavuudenmuutostyötä, jolloin sen suuruus on

Ideaalikaasun isoterminen prosessi: Työn laskeminen Toistetaan: Jos sylinteri on isoterminen, niin laajetessa tehdään työ ja samaan aikaan sylinteriin pitää tuoda lämpö Näin siis termodynamiikka on selittänyt, miten lämpö muuttuu työksi Tämä ei kuitenkaan vielä ole käytännöllinen kone, koska: Isotermi on teknisesti epäkäytännöllinen Laajeneminen ei koskaan palaudu vaan on yksisuuntainen

Ideaalikaasun muita prosesseja: Tilavuudenmuutostyö B A P on vakio V on vakio

Ideaalikaasun kiertoprosessi Yhdistämällä vaikka isotermin, isobaarin ja isokoorin saa jo aikaan jonkinlaisen koneen A B: isoterminen laajentuminen Q > 0, W > 0, ΔE = 0 Q Q B D: isobaarinen jäähtyminen Q < 0, W < 0, ΔE < 0 D A: isokoorinen lämmitys Q > 0, W = 0, ΔE > 0 Q Nettotyö: W = WABD = WAB + WBD > 0 Nettolämpö: Q = QABD = QAB + QBD + QDA> 0 Koska E on tilanmuuttuja, niin ΔEABD = 0 QABD = WABD

Vielä yksi prosessi Tähän mennessä prosesseja, joissa ΔE = 0 ja W = 0. Ilmeisesti jokin vielä puuttuu? Isobaari? Isokoori? Mikään näistä ei sovi Nelitahtimoottorin työtahdissa polton jälkeen laajeneva kaasu työntää mäntää alaspäin. Isotermi? Tarvitaan uusi prosessi, adiabaattinen prosessi, jolle Q = 0

Ideaalikaasun adiabaattinen prosessi: pv-taso Adiabaattisen prosessin määritelmänä on siis, että lämpöä ei siirry eli Q = 0 prosessi voi olla nopeakin Mutta, miltä adiabaatti näyttää pv-tasossa? Ensimmäinen pääsääntö: Laajenemisessa: Ideaalikaasulle: Adiabaatti kulkee laajenemisessa isotermin alapuolella : Yleinen virhepäätelmä: Q = 0 ΔT = 0

Tulokset prosesseista Prosessi Isoterminen Isobaarinen Isokoorinen Adiabaattinen Määritelmä T = vakio P = vakio V = vakio Q=0 Ensimmäisestä pääsäännöstä seuraa ΔE = 0 Q = W Q = ΔE + W = ΔE + PΔV W = 0 Q = ΔE ΔE = - W