PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Samankaltaiset tiedostot
PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

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

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

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

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

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

Palautus yhtenä tiedostona PDF-muodossa viimeistään torstaina

Lämpöopin pääsäännöt

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

Clausiuksen epäyhtälö

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

Elastisuus: Siirtymä

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

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

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

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

kuonasula metallisula Avoin Suljettu Eristetty S / Korkealämpötilakemia Termodynamiikan peruskäsitteitä

PHYS-A0120 Termodynamiikka (TFM) Maanantai

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

PHYS-A0120 Termodynamiikka. Emppu Salonen

6. Yhteenvetoa kurssista

1 Clausiuksen epäyhtälö

Fysiikan kurssit. MAOL OPS-koulutus Naantali Jukka Hatakka

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

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

Valitse seuraavista joko tehtävä 1 tai 2

PHYS-A0120 Termodynamiikka. Emppu Salonen

FY9 Fysiikan kokonaiskuva

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

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

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

Lämpötila ja lämpö. 2.1 Terminen tasapaino

Teddy 1. välikoe kevät 2008

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

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

Luku 8 EXERGIA: TYÖPOTENTIAALIN MITTA

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ... 2

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

Lämpötila, lämpö energiana

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

2. Termodynamiikan perusteet

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

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

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

13 KALORIMETRI Johdanto Kalorimetrin lämmönvaihto

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

Konventionaalisessa lämpövoimaprosessissa muunnetaan polttoaineeseen sitoutunut kemiallinen energia lämpö/sähköenergiaksi höyryprosessin avulla

3Työ. 3.1 Yleinen määritelmä

1-1 Makroskooppinen fysiikka

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Lämpötila ja lämpöenergia

Thermodynamics is Two Laws and a Li2le Calculus

Aineen olomuodot ja olomuodon muutokset

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

Kemiallinen reaktio

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

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

Tämän päivän ohjelma: ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 3 / Kommentti kotilaskuun 2 Termodynamiikan 1. pääsääntö 9/26/2016

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

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

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

Transkriptio:

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017 Emppu Salonen Prof. Peter Liljeroth Viikko 1: Lämpötila ja lämpö Maanantai 30.10. ja tiistai 31.10.

A theory is the more impressive the greater the simplicity of its premises is, the more different kinds of things it relates, and the more extended is its area of applicability. Therefore the deep impression which classical thermodynamics made upon me. It is the only physical theory of universal content concerning which I am convinced that, within the framework of the applicability of its basic concepts, it will never be overthrown (for the special attention of those who are skeptics on principle). - Albert Einstein

Yleistä kurssista Luennot maanantaisin 14-16 ja tiistaisin 10-12 (30.10.-5.12.) 6 laskuharjoitusta, tehtäviä lasketaan sekä harjoituksissa että itsenäisesti; ratkaisut myöhemmin MyCourses-sivulla Arvostelu: laskuharjoitukset 1/3, projektityö 1/3, kotitentti 1/3 Huom! Projektityö ja kotitentti ovat pakollisia; niistä kummastakin on saatava erikseen hyväksytty suoritus (minimipisteet)

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

Kurssin oppimistavoitteet Osaat määritellä ja selittää termodynamiikan peruskäsitteet, joita ovat mm. sisäenergiä, lämpö, työ, entropia ja kemiallinen potentiaali (näistä täydellinen lista jo MyCourses-sivuilla) Osaat soveltaa termodynamiikan pääsääntöjä ja laskea siirtyneen lämmön, tehdyn työn ja tilanfunktioiden muutoksia erilaisissa termodynaamisissa prosesseissa Osaat selittää termodynaamisen potentiaalin käsitteen sekä soveltaa käsitettä tarkastellun systeemin tasapainotilan määrittämisessä Olet harjoitellut ryhmätyötaitoja ja tieteellisen raportin tekemistä

Kurssin oppimateriaali Pääasiallinen oppimateriaali allekirjoittaneen laatima moniste. Luennot seuraavat tätä runkoa. Jaetaan kurssin edetessä MyCourses-sivulla Lisäksi: perusteellinen ja uusi termofysiikan oppikirja, käytetään 2. vuoden kurssilla PHYS- C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Saatavana Aallossa e-kirjana

Viikon tavoitteet Osaat selittää termodynamiikan peruskäsitteitä: systeemi (eristetty/suljettu/avoin), tila, tilanmuuttuja, tilanyhtälö, sisäenergia, lämpötila, lämpö, lämpökapasiteetti Osaat laskea siirtynyttä lämpöä ja lämpötilan muutoksia yksinkertaisissa eristetyissä/suljetuissa systeemeissä (kalorimetria)

Termodynamiikasta

Newcomenin höyrykone (1712) James Wattin höyrykone (1760-1770 luvut)

Energian historiaa Isaac Newton, Gottfried Leibniz ja vis viva (1600-luvun loppu) Antoine Lavoisier ja kalorikki (1700-luvun loppu) Julius von Mayer ja James Joule: lämmön mekaaninen ekvivalenssi (1840-luku) Hermann von Helmholtz: yleinen energian säilymislaki (1847) It is important to realize that in physics today, we have no knowledge of what energy is. -- Richard Feynman, Feynman Lectures on Physics (1964)

Esimerkki: lämpövoimakoneet

Esimerkki: faasimuutokset http://www.ifm.liu.se/compchem/research/hbonds/ http://www.ifm.liu.se/compchem/research/hbonds/ http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/sn_icexv/ http://bgfons.com

Esimerkki: pehmeä aine Kuminauhan lämmitys, entrooppinen jousi

Esimerkki: molekyylimoottorit YouTube: Kinesin protein walking on microtubule

Systeemi ja ympäristö

Erityyppisiä systeemeitä Eristetyt Suljetut Avoimet

?

Mikroskooppinen vs. makroskooppinen lähestymistapa

Termodynaaminen tila

Termodynaaminen (tasapaino)tila Termodynaamisen tilan karakterisoi joukko makroskooppisia, kokeellisesti havaittavia ja hyvin määriteltyjä suureita (esim. V, p, T, N,...) Tilan yksikäsitteiseen määrittelemiseen tarvitaan vain rajoitettu määrä näitä suureita, joita kutsutaan tilanmuuttujiksi Muut termodynaamista tilaa karakterisoivat suureet ovat tällöin tilanmuuttujien määräämiä tilanfunktioita V, p, T, N, U, S, μ,... Palaamme myöhemmin tarkemmin termodynaamisen tasapainotilan ehtoihin

Termodynaaminen prosessi Systeemin tilan muuttamista/muuttumista kutsutaan termodynaamiseksi prosessiksi Riippuen siitä, miten prosessi tapahtuu tilanmuuttujat ovat tai eivät ole hyvin määriteltyjä V 1, p 1, T 1,... 1 V 2, p 2, T 2,... 2

Tilanfunktioiden ominaisuuksia Tilanfunktio on tilan yksikäsitteisesti määrittelemä Sen muutos tilasta toiseen ei voi riippua valitusta prosessista Tilanfunktion differentiaalin sanotaan tällöin olevan eksakti Epäeksaktin differentiaalin integraalin arvo vuorostaan riippuu integroimistiestä

Lämpötila ja lämpö

Pohdintaa Mikä on lämpötila? Mitä on lämpö?

Kalorikki Antoine Lavoisierin kalorikkiteoria (1783): lämpö on tuhoutumatonta, itseään hylkivää ainetta, kalorikkia, joka virtaa kuumemmasta kappaleesta kylmempään (lat. calor, lämpö) Selitti esim. lämpötilojen tasoittumisen, tunnettuja kaasulakeja, aineen olomuodon muutokset Kreivi Rumford osoitti kuitenkin, että kappaleesta voitiin kitkan avulla saada ulos käytännössä rajaton määrä kalorikkia teoria ei voinut olla oikein Tästä huolimatta teorialla oli kannattajansa vielä lähes 100 vuotta...

Termodynamiikan 0. pääsääntö A 1) Jos B on A:n kanssa termisessä tasapainossa... B C 2)... ja C on A:n kanssa termisessä tasapainossa... 3) niin B on C:n kanssa termisessä tasapainossa

Erilaisia lämpömittareita Tarkasteltavan systeemin ja lämpömittarin välinen lämpötilaero saa aikaan jonkin fysikaalisesti mitattavan muutoksen Käytännössä kuitenkin huomaamme, että erityyppiset lämpömittarit eivät tarkalleen anna samoja lukemia miksi?

Muita lämpömittareita Pt 4 He:n kylläisen höyryn paine RuO 2 Sensorin resistanssi lämpötilan funktiona Lämpötilaa heijastavan termometrisen suhteen ei välttämättä täydy käyttäytyä lineaarisesti lämpötilan funktiona; pääasia on, että tiedämme miten tätä ominaisuutta tulkitaan lämpötilan määrityksessä

Kaasulämpömittari Manometrin oikeaa jalkaa liikutetaan niin, että kaasun tilavuus pysyy vakiona Kaasun paine saadaan elohopeapatsaan korkeudesta (hydrostaattinen paine) + periaatteessa tarkka (kaasu käyttäytyy kuten ideaalikaasu alhaisessa paineessa) - epäkäytännöllinen, vaatii laitteiston huolellista mekaanista säätämistä

Veden kolmoispiste Nykyinen kansainvälinen lämpötilastandardi (1954) T tr = 273,16 K p tr = 0,61 kpa Kolmoispiste on se termodynaaminen (p,t)-piste, jossa aineen kaikki kolme perusolomuotoa kiinteä, neste ja kaasu ovat samanaikaisesti termodynaamisessa tasapainossa toistensa kanssa

Lämpösiirron muotoja Lämmön johtuminen Lämmön kuljettuminen (konvektio) Säteily

Lämpökapasiteetista Yleisesti ottaen C on lämpötilan funktio Nestemäiselle vedelle c w 4186 J kg -1 K -1 (vrt. energian yksikkö kalori: 1 cal = 4,19 J)

Latentti lämpö Tiettyihin faasimuutoksiin (esim. tavalliset olomuodon muutokset) liittyy lämpömäärä, jonka systeemi absorboi muutoksen aikana vakiolämpötilassa Koska systeemin siirretään lämpöä, mutta sen lämpötila ei muutu, tästä käytetään nimitystä latentti (piilevä) lämpö

Esimerkki: vesi

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