FÜÜSIKA II (MOLEKULAARFÜÜSIKA)

1. FÜÜSIKA II(MOLEKULAARFÜÜSIKA) 2009/2010 õppeaasta Jaanuar - Juuni

2. TERMODÜNAAMIKA ALUSED

3. SISEENERGIA Käesolevas peatükis käsitleme siseenergia mõistet, kehade siseenergia muutmise viise ning seda kuidas kehade siseenergia muutust arvutada

4. Siseenergia mõiste • Kehad koosnevad molekulidest, mis on pidevas soojusliikumises ning mõjutavad üksteist tõmbe- ja tõukejõududega • Kui keha (osake) liigub, siis omab ta kineetilist energiat • Kui keha (osake) on teiste kehadega vastastikmõjus, siis omab ta potentsiaalset energiat • Seega omavad molekulid, millest kehad koosnevad nii kineetilist kui ka potentsiaalset energiat. • Keha koostisosakeste kineetiliste ja potentsiaalsete energiate summat nimetataksegi KEHA SISEENERGIAKS

5. Siseenergia muutmise viisid • Keha siseenergiat on võimalik muuta kahel moel: • SOOJUSÜLEKANDEGA • MEHHAANILISE TÖÖGA

6. Soojusülekande liigid • Soojusülekandel antakse energiat alati kõrgema temperatuuriga kehalt madalama temperatuuriga kehale. • Soojusülekanne kestab kuni sellest osa võtvate kehade temperatuurid on võrdsustunud. • Soojusülekandeid on kolme liiki: • Soojusjuhtivus • Konvektsioon • Soojuskiirgus

7. Siseenergia muutuse arvutamine • Keha siseenergia muutust e soojushulka soojusülekandel arvutatakse valemist: • kus Q – soojushulk (J), m – keha mass (kg), ΔT – keha temperatuuri muutus (K või °C); c – aine erisoojus [J/(K·kg)] • Kui soojusülekande protsessist võtab osa mitu keha, siis suletud süsteemis on soojema(te) keha(de) poolt ära antav soojushulk (Q1, Q2 jne) on alati sama suur kui külmema(te) poolt saadav (Q3, Q4 jne) ehk:

8. Siseenergia muutmine mehhaanilise tööga • Näide 1 • Hõõrudes kaht puidutükki omavahel, on võimalik nende temperatuuri tõsta nii kõrgeks, et emb-kumb nendest (või ka mõlemad) süttib • Puutükkide hõõrumisel tehti mehhaanilist tööd – ületati nende vahel mõjuvat hõõrdejõudu, • Selle tulemusena keha temperatuur tõusis, siis järelikult pidi keha siseenergia suurenema. • Näide 2 • Kui gaas väljub suure hooga pudelist, siis pudel jahtub ning võib isegi kattuda härmatisega (näiteks gaasigrill või gaasipuhur) • Pudelist väljuv gaas teeb tööd pudelit ümbritseva välisõhu rõhu ületamiseks. • Selle tulemusena gaasi temperatuur langes, siis järelikult pidi tema siseenergia vähenema

9. Termodünaamika I seadus • Termodünaamilisele süsteemile juurdeantav soojushulk läheb süsteemi siseenergia suurendami-seks ja süsteemi poolt välisjõudude vastu tehtavaks tööks • Gaasi siseenergia muut ΔU on võrdne gaasile antud soojushulga Q ning välisjõudude poolt gaasi kokkusurumiseks tehtud töö A’ summaga: ΔU = Q + A’ • NB! Gaasi poolt tehtav töö on välisjõudude tööga võrreldes vastasmärgiline A = -A’

10. Termodünaamika I seadus • Süsteemi siseenergia muutus on võrdne süsteemile antava soojushulga (Q) ja süsteemi poolt välisjõudude ületamiseks tehtava töö (A) vahega: ΔU = Q - A

11. Gaasi poolt soojuspaisumisel tehtav töö m S m S h2 p1; V1; T1 p2; V2; T2 h1 lõppolek algolek

12. Gaasi poolt soojuspaisumisel tehtav töö • Soojenedes gaasi ruumala suureneb: ΔV = V2 – V1 = Sh2 – Sh1 • Gaasi rõhumisjõud kolvile avaldub: • Gaas teeb kolvil asuva raskuse liigutamiseks s=h2-h1 võrra tööd: A = Fs A =F(h2-h1)  A= pS(h2-h1)  A= p(Sh2-Sh1)  A = pΔV

13. Gaasi poolt soojuspaisumisel tehtav töö A = pΔV • A – gaasi poolt tehtav töö (J); p – gaasi rõhk (Pa) ja ΔV – gaasi ruumala muutus (m3) • Järeldused: • Kui gaas paisub, siis teeb gaas tööd (A>0) • Kui gaasi ruumala väheneb, siis teevad tööd välisjõud (A<0)

14. Järeldused TD I seadusest • Gaasi siseenergia kasvab kui • temale antakse soojusülekandel soojushulk ja/või • teda surutakse kokku • Gaasi siseenergia kahaneb, kui • ta annab soojusülekandel ära soojushulga ja/või • ta paisub

15. Adiabaatiline protsess • Sellist protsessi, mis toimub isoleeritud süsteemis ja gaasile ei anta/võeta soojust ning tööd tehakse gaasi siseenergia arvelt nimetatakse adiabaatiliseks • Adiabaatilise protsessi korral (Q=0): • Tööd saab teha ainult gaasi siseenergia kahanemise arvelt ΔU = Q - A  -ΔU = A

16. Soojusmasinad Käesolevas peatükis tuleb juttu tsüklilistest protsessidest. Soojusmasinate töötamise põhimõtetest ja kasutegurist. Aurumasinatest ja sisepõlemismootoritest

17. Tsüklilised protsessid • Milline gaasiga toimuv soojuslik protsess on gaasi töö seisukohalt kõige kasulikum? • Isohooriline protsess • Isohoorilises protsessis gaas ei paisu • Järelikult ei tee gaas saadava soojuse arvelt tööd • Isobaariline protsess • Isobaarilises protsessis on gaasi temperatuur võrdeline ruumalaga, seega gaasi temperatuuri suurenemisel (siseenergia suurenemisel) gaas paisub. Paisumisel teeb gaas aga tööd. • Gaasile antav soojus jaguneb siseenergia suurenemise (T↑) ja töö (V↑) vahel • Tööks muundub ainult osa soojusest • Isotermiline protsess • Kuna gaasi siseenergia sõltub temperatuurist, siis T=const korral siseenergia ei muutu. • Kui isotermilises protsessis gaas paisub, siis läheb kogu soojus gaasi tööks • Seega teeb gaas kõige rohkem tööd isotermilise paisumise korral

18. Tsüklilised protsessid • Tehniliselt pole võimalik kasutada gaasi töö saamiseks lahendust, kus gaas paisuks isotermiliselt lõpmatuseni • Soojuse muundamiseks mehhaaniliseks tööks pikema aja jooksul, tuleb paisuvat gaasi vahepeal kokku suruda ja jahutada. • Energeetiliselt annab kõige parema tulemuse kui gaasi paisumine, soojendamine, kokku surumine ja jahutamine toimuvad kindlas üksteisele järgnevas järjekorras so TSÜKLITENA • Seadeldisi, kus soojus muundatakse tsükliliste protsesside käigus mehhaaniliseks tööks, nimetatakse SOOJUSMASINATEKS

19. Gaas teeb paisumisel tööd A Soojendi ülesanne on on anda töötavale kehale juurde tööks vajalikku energiat. Soojendi saab oma energia kütuse põlemisel vabanevast energiast Jahuti ülesandeks on võtta töötavalt kehalt üle jäävat energiat, vältides niimoodi töötava keha temperatuuri liigset tõusu. Tänu jahutamisele tekib gaasil võimalus omandada soojendilt uus portsjon energiat Soojusmasinate tööpõhimõte Kõikides soojusmasinates on töötavaks kehaks gaas, mis teeb paisumisel tööd • Mistahes soojusmasin peab koosnema järgmistest põhimõttelistest osadest: S O O J E N D I J A H U T I TÖÖTAV KEHA (GAAS) Soojendi annab kehale soojus-hulga Q1 Gaas annab jahutile soojus-hulga Q2 Protsess kordub samas järjestuses

20. Soojusmasina kasutegur • Soojusmasinas ei saa muundada tööks kogu töötava keha siseenergiat • Soojusmasina poolt tehtav töö sõltub soojendilt saadava (Q1) ja jahutile antavate (Q2) soojushulkade erinevusest: A = Q1 – Q2 • Seega, mida suurem gaasi poolt soojendilt saadava ja jahutile antava soojushulga erinevus, seda rohkem tööd gaas teeb • Füüsikalist suurust, mis iseloomustab tehtava (kasuliku) töö suhet soojendilt saadavasse soojushulka, nimetatakse soojusmasina kasuteguriks

21. Kasutegur Q1 – Q2 η = -------- Q1 • Kus η – kasutegur (%) Q1 – soojendilt saadav soojushulk (J), Q2 – jahutile antav soojushulk (J) • Kui töötavaks kehaks on ideaalne gaas, nimetatakse soojusmasinat ideaalseks. • Ideaalse soojusmasina kasutegur sõltub vaid soojendi (T1) ja jahuti (T2) temperatuuridest: T1 – T2 η = -------- T1

22. Näiteid soojusmasinatest • Auruturbiin • Aurumasin • Sisepõlemismootor

23. Termodünaamika II seadus Selles peatükis tuleb juttu korrast ja korrapäratusest. Energia kvaliteedist. Entroopiast ja selle kasvust.

24. Tähelepanekuid • Külma ja kuuma vett kokku segades saame tulemuseks leige vee, aga • Iseenesest ei teki aga kunagi leigest veest sooja ja külma vett • Kui avada õhupallinöör, siis jookseb pall õhust tühjaks, aga • Mitte kunagi ei täitu avatud õhupall iseenesest õhuga. • Ruume on tarvis koristada isegi siis kui sa neid üldse ei kasuta, aga • Iseenesest ei korrastu ruumid mitte kunagi.

25. Protsesside ühesuunalisus • Üksi looduses iseenesest mittetoimuvatest protsessidest ei ole “keelatud” energia jäävuse seadusest lähtuvalt, seda “keelab” TD II seadus • TD II seaduse mõned sõnastused: • Soojus ei saa minna iseenesest külmemalt kehalt soojemale • Süsteem püüab minna üle korrastatud olekult mittekorrastatule • Loodus püüab minna üle vähemtõenäolistelt olekutelt tõenäolisematele

26. Energia kvaliteet A S O O J E N D I J A H U T I TÖÖTAV KEHA (GAAS) ?? Q1/T1 Q2/T2

27. Energia kvaliteet • Soojendi siseenergiat on võimalik soojusmasinas muuta tööks, jahuti siseenergiat paraku aga mitte. • Mida kõrgem on töötava keha temperatuur, seda kergem on selle keha siseenergiat muuta tööks. • Mida lähemal on energiaallika (reservuaari) temperatuur süsteemi lõpptemperatuurile, seda raskem on allikast seda energiat kätte saada – energia kvaliteet loetakse seda kõrgemaks, mida kõrgema temperatuuriga allikast (reservuaarist) seda saadakse.

28. PÄIKE T1 ≈ 5000K Q2 Q1 Ehkki Maa kiirgab maailmaruumi sama palju energiat kui ta Päikeselt saab, on selle energia kvaliteet võrreldes Päikeselt saadavaga väiksem Q1 = Q2 MAA T2 ≈ 300K

29. ENTROOPIA ENTROOPIA on füüsikaline suurus, mis iseloomustab: • 1) energia kvaliteeti • mida kõrgem on energia kvaliteet, seda madalam on entroopia • 2) süsteemi kaugust tasakaaluolekust • mida tasakaalulisem on süsteem, seda suurem on entroopia. • 3) süsteemi osakeste jaotumise ühtlust • mida ühtlasemalt on osakesed süsteemis jaotunud, seda suurem on entroopia.

30. Termodünaamika II seadus • Suletud süsteemis saab soojus-likes protsessides entroopia ainult kasvada • See tähendab, et iseeneslikult toimuvad looduses need protsessid, kus • energia kvaliteet kahaneb (valgusenergia muundub soojusenergiaks, soojusenergia muundub elektrienergiaks jne) • süsteemi olekuparameetrid (p, V, T) ühtlustuvad • osakeste jaotus süsteemis ühtlustub (ainete segunemine, korrapära kadumine)

32. Temperatuuri tõstmiseks tuleb kehale energiat juurde anda Temperatuuri langetamiseks tuleb kehalt energiat ära võtta Keha temperatuuri muutmiseks tuleb muuta keha siseenergiat!