Základy rovnovážné termodynamiky

1. Základy rovnovážnétermodynamiky Jitka Prokšová KOF FPE

2. Roztažnost látek • délková a objemová roztažnost pevných látek • objemovároztažnost kapalin • objemovároztažnost a rozpínavost plynů • příklady

3. Celsiova stupnice • Anders Celsius ( 1701–1744) základní body: bod mrazu bod varu vody (za normálního tlaku)

4. Kelvinova stupnice • William Thomson ( 1824–1907), od r. 1892 lord Kelvin základní body: absolutní nula trojný bod vody

5. Fahrenheitova stupnice • Daniel G. Fahrenheit ( 1686–1736), 3 základní body: *teplota tání směsi ledu a kuchyňské soli *teplota tání ledu *teplota zdravého lidského těla

6. Srovnání teplotních stupnic

7. Měření teploty • Klementinum (od r. 1775) • teplotní rekordy • záznam teploty více než dvě století ve stejný čas

8. Teploměry

9. Kalorimetrie • tepelná kapacita • měrná tepelná kapacita • molární tepelná kapacita • příklady

10. Systémy

11. uzavřený systém otevřený systém energie energie částice

12. Rovnovážný stav termodynamické soustavy • Soustava, která je od určitého okamžiku v neměnných vnějších podmínkách, přejde po jisté době samovolně do rovnovážného stavu. • Setrvává v něm, dokud zůstanou tyto podmínky zachovány.

13. Stavová rovnice ideálního plynu • tlak a objem plynu • látkové množství • univerzální plynová konstanta • termodynamická teplota

14. První termodynamický zákon • teplo • vnitřní energie • práce • aplikace • příklady (systémy)

15. Formulace prvního termodynamického zákona • zákon zachování energie Vnitřní energii soustavy lze zvýšit dodáním tepla Q nebo dodáním práce W (nebo obojím).

16. Aplikace prvního termodynamického zákona děj: • izochorický • izobarický • izotermický • adiabatický

17. Formulace druhého termodynamického zákona • Rudolf Clausius (1822–1888), 1850: Je nemožné cyklickým procesem přenášet teplo z chladnějšího tělesa na teplejší, aniž se přitom změní jisté množství práce na teplo.

18. William Thomson ( 1824–1907), od r. 1892 lord Kelvin 1851: Je nemožné cyklickým procesem odnímat jednomu tělesu teplo a měnit je v kladnou práci, aniž přitom přejde jisté množství tepla z tělesa teplejšího na chladnější.

19. Max Planck (1858–1947), 1930: Je nemožné sestrojit periodicky pracující stroj, který by trvale vykonával kladnou mechanickou práci pouze ochlazováním jednoho tělesa, aniž přitom dochází k jiným změnám v ostatních tělesech.

20. Perpetuum mobile druhého druhu dodané teplo systém vykonaná práce

21. Princip tepelného stroje dodané teplo systém vykonaná práce odevzdané teplo

22. Účinnost tepelného stroje • Sadi Carnot (1796–1832) 1824: dokázal, že pro účinnost tepelného stroje platí:

23. Carnotův cyklus Cc

24. Tepelná čerpadla Druhy, princip činnosti

25. Od idealizace ke skutečným dějům • nevratnost - spojitost se zavedením nové veličiny entropie, • souvislost entropie a míry neuspořádanosti soustavy, • podle změny entropie v soustavě lze určit směr nevratného děje.

26. Entropie Rudolf Clausius: entrópos = vnitřní změna makroskopické hledisko: k definici změny entropie využívá termodynamické teploty soustavy a tepla, které soustava během daného děje získá nebo ztratí.

27. Aplikace pojmu entropie • nerovnovážná termodynamika • fyzika nízkých teplot • chemie (katalytické reakce) • biologie (disipativní struktury) • kosmologie • informatika • ekonomie • psychologie

28. Formulace druhého termodynamického zákona pomocí entropie: Entropie izolované soustavy roste při ději nevratném a zůstává stálá při ději vratném. Entropie izolované soustavy nikdy neklesá. Platí tedy

29. Třetí termodynamický zákon • teploty v okolí 0K • entropie • tepelné koeficienty • aplikace

30. Walther Nernst (1864–1941) 1906:Pro teplotu klesající k absolutní nule probíhá vratný izotermický děj bez změny entropie. Při absolutní nule splývá vratná izoterma s adiabatou.

31. Některé metody získávání velmi nízkých teplot konec 19. století: využití Joulova - Thomsonova jevu ke zkapalňování plynů při teplotách pod 100 K

32. Heike Kamerlingh-Onnes (1853–1926) • zakladatel kryogenní laboratoře v Leidenu, zkapalnění He (1908) • var kapalného He za sníženého tlaku (0,84 K) • 1911: objev supravodivosti Hg (4,16 K) (NC 1913)

33. Základy kinetické teorieplynů

34. Model nový pohled na plyn - statistický přístup Avogadrova konstanta obrovské soubory molekul střední hodnoty makroskopických veličin transportní jevy

35. Brownův pohyb Animace

36. Kinetická teorie plynu Animace KTP

37. Termodynamická pravděpodobnost a míra neuspořádanosti • Ludwig Boltzmann (1844–1906) • Boltzmannův princip (1877): Entropie soustavy je funkcí pravděpodobnosti stavu soustavy.

38. izolovaná nádoba • mikrostav, makrostav • entropie: míra neuspořádanosti • nejpravděpodobnější makrostav: maximální počet mikrostavů

39. Pravděpodobnost makrostavu: Počet mikrostavů:

40. Pravděpodobnost makrostavu:

43. Transportní jevy střední volná dráha tepelná vodivost viskozita difúze

44. Ideální plyn versus reálný plyn • Van der Waalsova rovnice • víceparametrové rovnice

45. Termodynamické zákony podle Murphyho • Ve “hře” nemůžete nikdy vyhrát. V nejlepším případě dosáhnete pouze nerozhodného výsledku. • Nerozhodného výsledku můžete dosáhnout pouze při teplotě 0 K. • Teploty 0 K nemůžete nikdy dosáhnout.