Dane INFORMACYJNE

2. Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • Zespół Szkół Ekonomiczno-Usługowych im. Fryderyka Chopina w Żychlinie • ID grupy:97/28 • Opiekun: Agnieszka Gantzke-Parus • Kompetencja: matematyczno-fizyczna • Temat projektowy: • Fizyka opadów atmosferycznych • Semestr/rok szkolny: • Semestr drugi, 2011/2012

3. Cykl Carnota • Cykl Carnota - obieg termodynamiczny, złożony z dwóch przemian izotermicznych i dwóch przemian adiabatycznych. Cykl Carnota jest obiegiem odwracalnym. Do realizacji cyklu potrzebny jest czynnik termodynamiczny, który może wykonywać pracę i nad którym można wykonać pracę, np. gaz w naczyniu z tłokiem, a także dwa nieograniczone źródła ciepła, jedno jako źródło ciepła (o temperaturze T1) - górne źródło ciepła obiegu, a drugie jako chłodnica (o temperaturze T2) - dolne źródło ciepła obiegu.

4. Cykl Carnota składa się z dwóch przemian izotermicznych i dwóch przemian adiabatycznych, przedstawionych na rysunku: Począwszy od punktu A następuje: izotermiczne sprężanie --> adiabatyczne sprężanie --> izotermiczne rozprężanie --> adiabatyczne rozprężanie. W oparciu o cykl Carnota przebiegający w tym kierunku działa doskonały silnik cieplny. Począwszy od punktu A adiabatyczne sprężanie --> izotermiczne sprężanie --> adiabatyczne rozprężanie --> izotermiczne rozprężanie. W oparciu o cykl Carnota przebiegający w tym kierunku działa doskonała chłodziarka.

5. Przykład:Oblicz pracę wykonaną w trakcie jednego cyklu przemian przedstawionych na wykresie: zadania" width="286" height="168" /> • Rozwiązanie: • Na podstawie wykresu stwierdzamy, że w przemianach B i D nie jest wykonywana praca, gdyż są to przemiany izochoryczne. W przemianie A praca W1 jest wykonywana nad gazem (gaz jest sprężany) i dlatego W1 > 0, a w przemianie C2 pracę wykonuje gaz rozprężając się i dlatego W < 0. • Obliczamy pracę wykonaną w izobarycznej przemianie A1odczytując dane z wykresu:W= p1(V2–V1) = 2 J . • Obliczamy pracę, jaką wykonuje gaz rozprężając się izobarycznie w przemianie C: W1 = p2(V1–V2) = – 6 J. • Bezwzględna wartość pracy wykonanej przez gaz jest większa od pracy wykonanej nad gazem. Efektywna praca wykonana w czasie jednego cyklu: W = W1+W2 = – 4 J. Wniosek:Całkowita praca (efektywna) wykonana przez silnik, w którym gaz roboczy pracuje w dowolnym cyklu termodynamicznym jest równa co do wartości bezwzględnej polu figury jaką tworzy graficzne przedstawienie cyklu na wykresie zależności p od V (zakreskowane pole na rysunku).

6. Pojęcie gazu doskonałego • Stan fizyczny pewnej porcji gazu określają parametry stanu gazu, którymi są: • *ciśnienie – p [Pa], • *temperatura – T [K], • *objętość – V [m3]. • Gaz doskonały to uproszczony model gazu rzeczywistego.

7. Równanie Clapeyrona • Równanie to wiąże ze sobą parametry stanu dla n moli gazu doskonałego. Jest to równanie stanu gazu, które ma postać: • Mol to ilość substancji posiadająca liczbę Avogadro • Drobin, czyli tyle, ile jest atomów w 12 gramach węgla 12C. Jeśli N oznacza całkowitą liczbę drobin w gazie, to liczbę moli tego gazu obliczamy ze wzoru: • Równanie Clapeyrona można wykorzystać do obliczenia ilości powietrza w pokoju lub innego gazu w zamkniętym zbiorniku.

8. Założenia modelu gazu doskonałego są następujące: • • Drobiny gazu poza zderzeniami nie oddziałują ze sobą. Pomiędzy zderzeniami cząsteczki poruszają się ruchem jednostajnym prostoliniowym. • • Zderzenia drobin są idealnie sprężyste. • • Drobiny gazu posiadają masę, lecz są pozbawione objętości, czyli traktujemy je jako punkty materialne. • gaz ten jest zbudowany z cząsteczek jednoatomowych (w rzeczywistości nie zawsze) • - czasteczki są w ciagłym ruchu, • - czasteczki oddziaływują na siebie tylko podczas zderzeń (co w rzeczywistości nie jest prawdą) • - zderzenia są doskonale sprężyste (w rzeczywistości na ogół skośne • W rzeczywistości substancja, która spełniałaby te założenia nie istnieje, jednak w wielu przypadkach możemy w przybliżeniu traktować gazy rzeczywiste jako gazy doskonałe, co w dużym stopniu upraszcza obliczenia.

9. Różnica pomiędzy wrzeniem a parowaniem powierzchniowym, analiza wpływu ciśnienia na temperaturę wrzenia cieczy.

10. Materia występuje w trzech dających się łatwo rozróżnić stanach skupienia, tj. • stałym • ciekłym • gazowym • Istnieje również czwarty stan skupienia, stan plazmy, który istnieje jedynie w zakresie niezwykle wysokich temperatur. • Stan stały charakteryzuje się utrzymaniem kształtu, postaci i objętości próbki, niezależnie od kształtu naczynia.Stan ciekły odznacza sie tym, że próbka zachowuje swoją określoną objętość podczas przelewania z jednego zbiornika do drugiego, ale przyjmuje kształt dna mieszczącego ją naczyniaStan gazowy charakteryzuje się tym, że próbka nie ma ani własnego kształtu, ani objętości i może rozprzestrzeniać się po całej objętości naczynia, w której jest zawarta.

11. Różnice te można łatwo wyjaśnić za pomocą teorii kinetycznej materii zgodnie z którą w temperaturach powyżej zera absolutnego (tj. powyżej -273oC) atomy i cząsteczki substancji znajdują sie w nieustannym ruchu.W ciałach stałych ruch ten nie jest wielki i odnosi się głównie do oscylacji atomów i cząsteczek względem węzłów sieci krystalicznej.W miarę ogrzewania rośnie energia kinetyczna ruchów a w temperaturze zwanej temperaturą topnienia cząsteczki lub pojedyncze atomy tracą zdolność powrotu do swych pierwotnych położeń i substancja stała przechodzi w ciecz.Wzajemne oddziaływanie między atomami i cząsteczkami jest jednak ciągle tak duże, że objętość cieczy w danej temperaturze pozostaje stała.Dalsze ogrzewanie cieczy prowadzi wreszcie do stanu, w którym cząsteczki uzyskują energię kinetyczną wystarczającą do pokonania sił wzajemnego przyciągania i ciecz zamienia się w gaz, zdolny do rozprzestrzeniania sie w całej dostępnej przestrzeni.

12. Jak wiemy czyste substancje charakteryzują się ściśle określoną temperaturą topnienia i temperaturą wrzenia.Wrzenie jest szczególnym przypadkiem parowania; jest to gwałtowne przejście cieczy w stan pary przez tworzenie pęcherzyków. Ciecz wrze w temperaturze wrzenia, tj. w temperaturze, w której ciśnienie pary cieczy zrówna się z panującym ciśnieniem atmosferycznym. Jak jednakże wyjaśnić powierzchniowe zjawisko parowania cieczy, zachodzące przecież także w temperaturach niższych od temperatury wrzenia? Jest to spowodowane stałą wymianą energii między zderzającymi się ze sobą cząsteczkami. A to oznacza, że w zbiorze cząsteczek będą znajdowały się cząsteczki o dużej i małej energii kinetycznej.Rozkładem energii kinetycznej na poszczególne cząsteczki rozważanego układu rządzą prawa prawdopodobieństwa. Na rysunku 6.1 przedstawiono rozkład energii kinetycznej Ek cząsteczek w dwóch różnych temperaturach T1 i T2.

13. Istotnie, najwięcej jest w danym układzie takich cząsteczek, których energia jest bliska wartości średniej, co odpowiada położeniu maksimów na krzywych (x i y) dla poszczególnych temperatur. Z rozkładu energii kinetycznej wynika także, że pewna liczba cząsteczek będzie się wyróżniała od pozostałych wyższą energią swych ruchów. Takie właśnie cząsteczki o wyższej energii, znalazłszy się na powierzchni cieczy będą przechodzić w stan pary.Jeżeli wartość oznaczona przez E odpowiada minimum energii kinetycznej potrzebnej aby cząsteczka mogła przezwyciężyć siły przyciągania i wydostać się z cieczy, to wszystkie cząsteczki o energii z zakreskowanej części pod krzywą mają dostateczną energię do przezwyciężenia sił przyciągania. Są to tzw. cząsteczki gorące, które mogą wydostać się z cieczy przy założeniu, że znajdą się dostatecznie blisko powierzchni. • Proces parowania pozbawia układ cząsteczek o najwyższej energii kinetycznej, stąd średnia wartość tej energii w układzie maleje. Ponieważ w układzie pozostają cząsteczki o mniejszej energii kinetycznej, ich temperatura musi być niższa. Tak więc odparowanie związane jest zazwyczaj z ochłodzeniem cieczy.W układach zamkniętych, oprócz parowania mamy do czynienia z procesem odwrotnym, tj. powrotem cząsteczek do cieczy. Taki układ charakteryzuje się tym, że po pewnym czasie liczba cząsteczek odrywających się w jednostce czasu z powierzchni cieczy i przechodzących w stan pary jest równa liczbie cząsteczek w tym samym czasie zderzających sie z powierzchnią cieczy i powracających do stanu ciekłego. Stan ten jest stanem równowagi dynamicznej między cieczą a jej parą nasyconą. W stałej temperaturze charakteryzuje się on stałą wartością średniej wartości energii kinetycznej cząsteczek. Rys.6.1 Rozkład energii kinetycznej cząsteczek w różnych temperaturach

14. Stan gazowy W porównaniu ze stanem stałym lub ciekłym materii, stan gazowy charakteryzuje się bardzo dużym współczynnikiem ściśliwości, a także brakiem sprężystości i uporządkowania cząsteczek.Różne gazy zachowują się podobnie, a stan fizyczny każdego gazu określają następujące parametry ; • ilość (w molach) n (lub masa m oraz masa molowa M,przy czym n= m/M) • objętość v (cm3, dm3, l) • ciśnienie p (Pa) • temperatura T (oK, oC) Gaz doskonały W celu wytłumaczenia prawie jednakowego zachowania się gazów, teoria kinetyczna wprowadziła pojęcie gazu doskonałego, przyjmując następujące założenia, a mianowicie: cząsteczki gazu są tak małe, że można je uważać za punkty materialne pomiędzy cząsteczkami gazu nie występują siły wzajemnego przyciągania ani odpychania czasteczki gazu poruszają się stale i bezładnie po torach prostoliniowych, zderzając się ze sobą i ściankami naczynia, w którym się znajdują zderzenia cząsteczek gazu są doskonale sprężyste średnia energia kinetyczna cząsteczek jest proporcjonalna do temperatury gazu w skali Kelvina.

15. W praktyce mamy do czynienia z gazami rzeczywistymi, które mają określone wymiary a pomiędzy cząsteczkami gazu występują różnego rodzaju oddziaływania.Gazy rzeczywiste, nie spełniające założeń gazu doskonałego można doprowadzić do takiego stanu, że jego własności będą zbliżone do własności gazu doskonałego. Można to osiągnąć przez dostateczne obniżenie ciśnienia lub podwyższenie temperatury. Im większe natomiast jest ciśnienie i niższa temperatura, tym większe są odstępstwa gazu rzeczywistego od podanych niżej praw gazu doskonałego • Charakter zachowań gazu doskonałego w zależności od ciœnienia, temperatury i zajmowanej objętości opisują prawa gazu doskonałego (często nazywane krótko prawami gazowymi). Są to następujące prawa gazowe; • prawo izotermy (prawo Boyle'a-Mariotta) • prawo izobary (prawo Gay-Lussaca) • prawo izochory (prawo Charlesa)

16. WPŁYW CIĆNIENIA NA TEMPERATURĘ TOPNIENIA SUBSTANCJI

17. Ciśnieniem normalnym nazywamy ciśnienie równe ciśnieniu atmosferycznemu, czyli około 1014 hPa. • Przy takim ciśnieniu temperatura topnienia wynosi 0°C. Temperatura topnienia zmienia się. Wraz ze wzrostem ciśnienia maleje temperatura topnienia (woda topi się w coraz niższej temperaturze).

18. Zależności temperatur wrzenia i topnienia od ciśnienia nie da się wyrazić jakimś prostym wzorem, można je jedynie wyznaczyć doświadczalnie.

19. Zależnie od tego, czy ciecz przy ochładzaniu zwiększa czy zmniejsza swoją objętość, zmiany ciśnienia mają różny wpływ. Jeżeli ciecz, tak jak woda, zwiększa swoją objętość w czasie krzepnięcia, to zwiększenie ciśnienia spowoduje obniżenie temperatury topnienia. Zmniejszenie ciśnienia spowoduje, że ciesz będzie krzepnąć wyższej temperaturze. Na przykład dla wody, temperatura topnienia zmienia się o około 0,007°C na 1 atm.

20. Za pomocą tego zjawiska można na przykład wytłumaczyć zjawisko schodzenia lawin śnieżnych: ciężka warstwa śniegu wywiera duże ciśnienie na śnieg leżący na dnie, co powoduje obniżenie jego temperatury topnienia i topienie się dolnych warstw śniegu. Gruba warstwa zaczyna ślizgać się po wodzie, która jest pod nią, i osuwa się w postaci lawiny.

21. WYKORZYSTANIE CIEPŁA WŁAŚCIWEGO ORAZ CIEPŁA PRZEMIANY FAZOWEJ W ANALIZIE BILANSU CIEPLNEGO

22. Bilans cieplny • Jeśli zetkniemy ze sobą dwa ciała o różnej temperaturze, to następuje między nimi wymiana ciepła. Ciało o wyższej temperaturze oddaje (traci) ciepło, a ciało o niższej temperaturze pobiera (zyskuje) ciepło. Wymiana ciepła kończy się, gdy temperatury obu ciał wyrównają się.

23. Ciepło właściwe • Ciepło właściwe to energia jaką trzeba przekazać ciału aby ogrzać 1 kilogram tego ciała o 1 stopień Kelwina. 

24. Ciepło przemiany fazowej • Ilość energii termicznej wymienionej pomiędzy układem a otoczeniem podczas przejścia fazowego, prowadzonego w warunkach ściśle izotermicznych.

25. Analiza pierwszej zasady termodynamiki jako zasady zachowania energii

26. Pierwsza zasada termodynamiki • Jedno z podstawowych praw termodynamiki, jest sformułowaniem zasady zachowania energii dla układów termodynamicznych. Zasada stanowi podsumowanie równoważności ciepła i pracy oraz stałości energii

27. Zasada zachowania energii: • Empiryczne prawo fizyki, stwierdzające, że w układzie izolowanym suma wszystkich rodzajów energii układu jest stała (nie zmienia się w czasie). W konsekwencji, energia w układzie izolowanym nie może być ani utworzona, ani zniszczona, może jedynie zmienić się forma energii.

28. Interpretacja drugiej zasady termodynamiki • Druga zasada termodynamiki stanowi ogóhią regułę określającą kierunek procesów zachodzących w przyrodzie. Formułuje się ją w różnych wersjach. Najogólniejszy i najpełniejszy charakter ma sformułowanie posługujące się pojęciem entropii. Obrazowo rzecz ujmując, można powiedzieć, że o ile temperatura ciała jest miarą intensywności chaotycznych ruchów cieplnych atomów lub cząstek tworzących ciało, o tyle entropia jest miarą stopnia chaotyczności (nieuporządkowania) tych ruchów. Im większy chaos (mniejsze uporządkowanie), tym większa entropia.

29. Otóż druga zasada postuluje: w układzie izolowanym od otoczenia mogą zachodzić tylko takie procesy, w wyniku których entropia układu wzrasta (lub w najlepszym razie jest stała). Innymi słowy, ogólną cechą procesów zachodzących w przyrodzie jest to, że prowadzą one do zwiększenia molekularnego chaosu (zmniejszenia uporządkowania) albo inaczej do systematycznego zmniejszania się energii uporządkowanych ruchów materii, wzrostu zaś energii chaotycznych ruchów cieplnych, czyli energii cieplnej.

30. Drugą zasada termodynamiki w powyższym ujęciu, noszącą często nazwę zasady wzrostu  entropii, podał w 1865 R.E. Clausius, a jej interpretację molekularną - L.E. Boltzmann w 1877. Do tego czasu drugą zasadę formułowano w różnych (ale równoważnych) wersjach. Wszystkie one wynikają jako wnioski ze sformułowania Clausiusa, mianowicie: • 1) Ciepło można zamienić na pracę tylko w takim procesie, w którym następuje przepływ ciepła (jakościowo N.L.S. Carnot w 1824, w ścisłym sformułowaniu matematycznym - B.P.E. Clapeyron,1834)

31. 2) Niemożliwy jest samorzutny (tzn. bez ingerencji czynników zewnętrznych) przepływ ciepła od ciała o niższej do ciała o wyższej temperaturze (R.E. Clausius w 1851); • 3) Niemożliwy jest proces, w którym ciepło pobrane od ciała jest całkowicie zamieniane na pracę bez spowodowania innych zmian w ciele (albo układzie) lub w  jego  otoczeniu  (W. Thomson - późniejszy lord Kelvin, w 1851).

32. Proces, który doprowadził do ostatecznego sformułowania drugiej zasady termodynamiki, trwał ponad 40 lat. Druga zasada ma charakter tendencji statystycznej, a nie prawa bezwzględnego. Możliwe są mianowicie procesy nie spełniające drugiej zasady, są one jednak tak mało prawdopodobne

33. Zastosowanie zjawisk termodynamiczny • Zjawiska termodynamiczne, zachodzące w ośrodkach ciągłych, zazwyczaj są opisywane w sposób fenomenologiczny, wynikający bezpośrednio z doświadczenia. Zjawiska te można opisywać także w sposób statystyczny. Ośrodki składające się z nie wielkiej ilości drobin lub ośrodki o ich niezbyt dużej gęstości lepiej opisywać za pomocą metod statystycznych. W tym przypadku sprawdzeniu doświadczalnemu podlega wynik rozważań statystycznych.

34. Układy termodynamiczne • Układ homogeniczny (jednofazowy) - Jednakowe własności makroskopowe w różnych miejscach układu. • b) Układ heterogeniczny (wielofazowy) • W pewnych częściach układu zachodzi skokowa zmiana jednego z parametrów. • Współistnienie faz.

35. Układy termodynamiczne otwarte • a) Układ I typu • – układy w stanach zbliżonych do stanów równowagi termodynamicznej. • b) Układ II typu • - prędkość dopływu energii do układu < od prędkości rozpraszania energii w układzie. • c) Układ III typu

36. Podstawowe pojęcia • Opisywany jest termodynamiczny stan układu, zależny od jego składu i warunków fizycznych oraz od możliwości wymiany materii i energii z otoczeniem. Z tego punktu widzenia układ może być: • zamknięty (odosobniony, izolowany) – brak możliwości wymiany materii i energii • pół zamknięty – możliwa wymiana energii, brak możliwości wymiany materii, • otwarty – możliwa wymiana materii i energii.

37. U podstaw termodynamiki, w tym termodynamiki chemicznej, leżą jej ogólne zasady (pierwsza, druga, trzecia i czwarta), sformułowane dla: • a) układu termodynamicznego, • b) otoczenia termodynamicznego.

39. Zadanie utrwalające

40. Problemy termodynamiki fenomenologicznej obejmują: • -stan termodynamiczny; • -bilanse: substancji, pędu, energii, entropii, egzergii; • -warunki równowagi i stabilności równowagi termodynamicznej; • -przemiany fazowe; • -reakcje chemiczne; • -przemiany i obiegi (cykle) termodynamiczne; • -procesy równowagowe;

41. -termodynamikę przepływów ściśliwych; • -zjawiska elektryczne i magnetyczne; • -otrzymywanie niskich temperatur; • -teorię roztworów; • -zjawiska powierzchniowe;

42. PROCESY ZACHODZĄCE W ATMOSFERZE

43. Mechanizm powstawania • Powstanie i cechy fizyczne wiatrów fenowych wynikają z różnic jakie występują w trakcie zmian temperatury powietrza wilgotnego i suchego w wyniku zmiany ciśnienia (zobacz: przemiana adiabatyczna, gradient adiabatyczny). Warunkiem powstania tego wiatru jest różnica ciśnienia atmosferycznego po obu stronach bariery górskiej. Różnica ta wymusza ruch powietrza. Powietrze napotykając góry unosi się, ochładzając się wilgotno adiabatycznie, tj. ok. 0,6° na 100 m wysokości. W czasie unoszenia się powietrza następuje kondensacja – tworzą się chmury i deszcze.

44. Suche już powietrze przekracza barierę szczytów górskich i opada po drugiej stronie ku dolinom. Opadając ogrzewa się, ale tym razem sucho adiabatycznie, tj. ok. 1° na 100 m. Stąd też wiatry fenowe są suche oraz znacznie cieplejsze niż powietrze na tej samej wysokości po przeciwnej stronie gór. Im wyższa jest bariera górska, tym ta różnica może być większa.

45. Różnica temperatur powstaje wyłącznie w wyniku skraplania się pary wodnej zawartej w powietrzu, jeżeli napływające powietrze jest suche lub góra jest zbyt niska by zaszło skraplanie, to nie zachodzi zjawisko ogrzania powietrza po zawietrznej stronie. Zjawisko zachodzi tylko do pewnej wysokości góry, powyżej gdy temperatura rozprężonego powietrza jest niska i nie zawiera ono już prawie wcale pary wodnej, to wzrost wysokości góry nie wywołuje tego zjawiska.W wysokich górach zjawiskiem wywołanym fenem jest inwersja opadów.

47. Opad atmosferyczny • Ogół ciekłych lub stałych produktów kondensacji pary wodnej spadających z chmur na powierzchnię Ziemi, unoszących się w powietrzu oraz osiadających na powierzchni Ziemi i przedmiotach. Dzieli się je na opady pionowe i poziome (osady atmosferyczne). Do opadów pionowych zalicza się: deszcz, mżawkę, śnieg, krupy oraz grad. Opad, który nie dociera do powierzchni Ziemi, nazywa się virgą.

48. Pomiar opadów atmosferycznych • Opady mierzymy deszczomierzem lub pluwiografem. • -Deszczomierz, • - Pluwiograf.

49. Deszczomierz

50. Pluwiograf