Wykład 12 - 13

1. Wykład 12 - 13 Kinetyczna teoria gazów. Temperatura, ciepło, I zasada termodynamiki. Przemiany gazowe.

2. Opis makroskopowy i mikroskopowy • Opis fenomenologiczny • temperatura (zerowa zasada termodynamiki) • ciepło i praca (pierwsza zasada termodynamiki) • prawa gazowe • procesy odwracalne i nie odwracalne (druga zasada termodynamiki) • Opis mikroskopowy – fizyka statystyczna • kinetyczna teoria gazów • temperatura jako średnia energia kinetyczna • entropia (trzecia zasada termodynamiki)

3. Temperatura • Intuicyjne pojęcia „zimno”, „ciepło”, • w fizyce będziemy mówić „niska” i „wysoka” temperatura, • pojęcie „ciepło” jest inna wielkością o wymiarze energii; • Istnieje taka wielkość, nazwiemy ja temperaturą, która ma te własność, że ciała pozostawione ze sobą w kontakcie mają tę samą temperaturę. • Temperaturę mierzymy: • za pomocą temperatur charakterystycznych • za pomocą liniowych zależności różnych wielkości fizycznych od temperatury.

4. Pomiar temperatury – temperatury charakterystyczne • temperatura zamarzania wody (0 o Celcjusza) • wrzenie wody (100oCelcjusza) • temperatura ciała ludzkiego (100oFarenheita) • zamarzanie mieszaniny salmiaku i wody (0oFarenheita) • skraplanie powietrza (azotu) (-192o Celcjusza) • punkt potrójny wody (0.01 o Celcjusza) • Temperatura zera bezwzględnego (-273.15 oCelcjusza)

5. Pomiar temperatury - termometry • Rozszerzalność liniowa cieczy – termometr rtęciowy, termometr alkoholowy • Termometr gazowy • istnieje temperatura zera bezwzględnego

6. Skale termometryczne

7. Termometry • oparte na zjawisku rozszerzalności cieplnej • cieczowy • gazowy • bimetale • elektryczne • oporowe, R(T): metale i półprzewodnikowe termistory, • termopary (U(T)) • termokolory • pirometry – widmo świecenia ciał • topniki (parafina w silniku samochodowym)

8. Rozszerzalność cieplna ciał • współczynnik rozszerzalności linowej • współczynnik rozszerzalności objętościowej • związek gaz doskonały b=36.61 10-4/K szkło a=0.10 10-4/K woda (20oC) b= 2.07 10-4/K kwarc a=0.04 10-4/K metanol b= 12.0 10-4/K miedź a=0.16 10-4/K

9. Zadania • dlaczego b=3a • dlaczego dla gazu doskonałego b=36.61 10-4/K • o ile wydłuży się pręt miedziany przy podgrzaniu o 100oC • Czy w termometrze metylowym możemy pominąć rozszerzalność szkła? • Mocowanie trzpieni stalowych: • a=0.1 10-4/K, • moduł sprężystości Younga Y=300 GPa • rożnica temperatur 300oC:

10. Ciepło i praca:formy przekazywania energii Pierwsza zasada termodynamiki (zasada zachowania energii) U-energia wewnętrzna układu W- praca wykonana nad układem Q – ciepło dostarczone do układu c- ciepło właściwe

11. Joul i kaloria,mechaniczny równoważnik ciepła • Ciepło pracę i energię wyrażamy w jednostkach energii: Joulach (J) • Historycznie dla ciepła używano kalorii 1 kcal=1000 cal=4186 J 1J=0.24 cal

12. Przewodnictwo cieplne,forma przekazu ciepła. • - współczynnik przewodzenia ciepła cegła l=0.5 W/m/K drewno l=0.2 W/mK słoma l=0.06 W/m/K styropian l=0.04 W/m/K

13. Formy przekazu ciepła • przewodnictwo cieplne • dyfuzja gorących cząstek w gazach • transport (dyfuzja) gorących elektronów w metalach • rozchodzenie się (dyfuzja) drgań sieci. • każda granica ośrodków jest bariera dla przewodzenia ciepła • konwekcja - dominuje w gazach • wąska szpara miedzy szybami • futro • styropian • promieniowanie (fizyka kwantowa) • folie odbijające

14. Kalorymetria,bilans cieplny. • ciepło właściwe • ciepło topnienia (w stałej temperaturze) • pobierane przy topnieniu • oddawane przy krzepnięciu • ciepło parowania (w stałej temperaturze) • pobierane przy parowaniu • oddawane przy skraplaniu. Jeśli W=0 to Qoddane=Qpobrane Ile lodu mx o temperaturze T0 =0oC należy wrzucić do 1 litra (m0=1kg) wody o temperaturze 20oC aby uzyskać temperaturę Tk =5oC. cm=4200 J/(kgK), ct=330 000 J/kg

15. Praca wykonana nad układem Praca zależy od szczegółów cyklu, (drogi na wykresie p-V) a nie tylko od stanu początkowego i końcowego. Energia wewnętrzna jest funkcją stanu początkowego i końcowego. Jaki jest konieczny zestaw parametrów? Przy ściskaniu wkładamy pracę, zwiększamy energię wewnętrzną, ale układ może oddawać ciepło.

16. Ściskanie izotermiczne i adiabatyczne • Szybkie ściskanie, bez wymiany ciepła z otoczeniem powoduje wzrost temperatury. • Ściskanie izotermiczne musi być bardzo powolne • Ściskanie adiabatyczne wymaga większej pracy, bo część włożonej energii potrzebna jest na podgrzanie. • Rozprężanie adiabatyczne chłodzi gaz. ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu i stałej objętości.

17. O ile ogrzeje się pręt stalowy gdy ściśniemy go o jeden procent? moduł sprężystości Younga Y=300 GPa ciepło właściwe c=400 J/kgK gęstość r=7500 kg/m3

18. Opis fenomenologicznydoświadczeń • prawo Boyle’a (T=const) • prawo Charles’a (p=const) • prawo Clapeyrona (V=const) Równanie stanu gazu R=8.32 J/(mol K) - stała gazowa

19. Gaz doskonały • Cząsteczki punktami materialnymi, a przynajmniej objętość cząstek znacznie mniejsza od objętości gazu; • duża liczba cząstek – możemy (musimy) stosować opis statystyczny; • brak oddziaływania cząstka-cząstka, a jeśli występują zderzenia to są elastyczne; • chaotyczny ruch cząstek. ciśnienie – średnia siła ścianek, potrzebna do zmiany pędu cząstek przy odbiciu; temperatura – miara energii kinetycznej cząstek.

20. średnia siła x czas= zmiana pędu Ciśnienie • objętość - l3 • n cząstek o masie m • zmiana pędu jednej cząstki przy pojedynczym odbiciu • zmiana pędu jednej cząstki w jednostce czasu (na jedną ścianę) • ciśnienie

21. Prędkość termiczna cząstek (średnia) • skaluje się z odwrotnością pierwiastka masy, • energia kinetyczna prawie taka sama dla cząstek o różnych masach, • prędkość cząstek bliska szybkości rozchodzenia się dźwięku  mało zderzeń

22. Temperatura Dla jednego mola Temperatura:podwojona energia na jeden stopień swobody/stała kB

23. Energia wewnętrzna i ciepło właściwe Ciepło właściwe przy stałej objętości

24. Ciepło właściwe gazu Stopnie pokazują istnienie efektów kwantowych

25. Momenty swobody • punkt materialny – 3 • sztywna cząstka 2-atomowa – 5 • większa drobina – 6 • dwa drgające atomy – 7 Zasada ekwipartycji energii

26. Ciepło właściwe przy stałej objętości i stałym ciśnieniu.

27. Cieplne właściwości gazów R=8.32 J/mol K

28. Warunek adiabatyczności Równanie adiabaty równanie stanu gazu  równanie adiabaty

29. I zasada i równanie stanu gazuprzemiana izochoryczna równanie stanu gazu praca pobrane ciepło energia

30. I zasada i równanie stanu gazuprzemiana izobaryczna równanie stanu gazu praca pobrane ciepło energia

31. I zasada i równanie stanu gazuprzemiana izotermiczna równanie stanu gazu praca wykonana przez gaz energia wewnętrzna pobrane ciepło

32. I zasada i równanie stanu gazuprzemiana adiabatyczna równanie stanu gazu równanie adiabaty praca wykonana przez gaz pobrane ciepło energia wewnętrzna

33. Przemiany (prawa) gazowe • izobaryczna, p=const VaT • izotermiczna T=const Pa1/V • izochoryczna V=const PaT

34. Równanie stanu gazu w równowadze termodynamicznej: • n ilość moli • R –stała gazowa (uniwersalna dla gazu doskonałego) parametry stanu, p,V,T Równowaga termodynamiczna:podukładu (jednorodne parametry stanu) podukładu z otoczeniem (równe temperatury) statyczna (po nieskończonym czasie) w trakcie procesu • funkcje stanu • p, V, T • energia wewnetrzna, U • entropia Ciepło i praca nie są funkcjami stanu!