Θερμοκρασία: φυσική ιδιότητα της ύλης εκφράζει ποσοτικά το «ζεστό» ή «κρύο»

Transcript

1 Θερμοκρασία: φυσική ιδιότητα της ύλης εκφράζει ποσοτικά το «ζεστό» ή «κρύο»

2 Εξαρτώνται από τη θερμοκρασία Κατάσταση της ύλης (Φάση ύλης) Πυκνότητα Διαλυτότητα Πίεση υδρατμών Ηλεκτρική αγωγιμότητα Χημικές αντιδράσεις Θερμική ακτινοβολία

3 Μέτρηση θερμοκρασίας Πώς μπορούμε να μετρήσουμε τη θερμοκρασία; Ποιες ιδιότητες υλικών μεταβάλλονται με τη θερμοκρασία; Ποιες οι επιθυμητές ιδιότητες ενός θερμομέτρου Χρονική απόκριση Αναστρεψιμότητα Μονοτονικότητα

4 Βασική αρχή για τη μέτρηση της θερμοκρασίας Θερμική ισορροπία: δύο συστήματα με διαφορετική θερμοκρασία αλληλεπιδρούν μέχρι να εξισωθούν οι θερμοκρασίες τους. Η περαιτέρω αλληλεπίδραση δεν προκαλεί αλλαγή στη θερμοκρασία. Μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής: Εστω τρία συστήματα Α,Β,Γ. Εάν το Γ είναι σε θερμική ισορροπία με τα Α και Β τότε και τα Α, Β είναι σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους

5 Θερμόμετρα Υδραργύρου (Αρχή λετουργίας) Αλκοόλης (λιγότερο τοξικά - πτητικά, έως C) Θερμόμετρα υπερύθρων (IR): μέτρηση θερμοκρασίας από την εκπομπή ακτινοβολίας σε συγκεκριμένη φασματική περιοχή. Μέτρηση από απόσταση Γρήγορη απόκριση Μεγάλο εύρος

6 Θερμόμετρα Θερμοζεύγη: δύο αγωγοί από διαφορετικό υλικό (συνήθως μέταλλα), επαγωγή διαφοράς δυναμικού κατά την επιφάνεια επαφής τους Φθηνά Μικρά Μεγάλο εύρος θερμοκρασιών Μικρή ακρίβεια

7 Θερμόμετρα Αντίστασης: αισθητήρες (συνήθως από πλατίνα, νικέλιο ή χαλκό) των οποίων η αντίσταση μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία Ακρίβεια Μεγάλο εύρος C C Θερμίστορς: κεραμικά ή πολυμερή υλικά Μεγαλύτερη ακρίβεια C C

8 Θερμόμετρα Διμεταλλικά θερμόμετρα Δύο λωρίδες από διαφορετικά μέταλλα (διαφορετικός συντελεστής θερμικής διαστολής) Χρήση ως θερμοστάτες

9 Κλίμακες θερμοκρασίας Θερμοκρασία πήξης του νερού 0 0, θερμοκρασία βρασμού του νερού Θερμοκρασία πήξης του νερού 32 0, θερμοκρασία βρασμού του νερού Από Κελσίου Σε Κελσίου Fahrenheit [ F] = [ C] [ C] = ([ F] 32) 5 9 Kelvin [K] = [ C] [ C] = [K]

10 Η ιδανική κλίμακα θερμοκρασιών δεν πρέπει να εξαρτάται από ιδιότητες συγκεκριμένου υλικού. Θερμόμετρο αερίου: Συγκεκριμένος όγκος αερίου Πώς μεταβάλλεται η πίεσή του όταν αυξάνεται η θερμοκρασία; Για όλα τα είδη και τις ποσότητες αερίων η προέκταση της γραφικής παράστασης τέμνει τον άξονα χ στ0υς C Διαγράμματα μεταβολής πίεσης συναρτήσει της θερμοκρασίας για διαφορετικούς τύπους και ποσότητες αερίων

11 Οι κλίμακες Κελσίου και Φαρενάιτ έχουν δύο σημεία αναφοράς. Η κλίμακα Kelvin έχει ένα σημείο αναφοράς: το τριπλό σημείο του νερού: Μοναδικός συνδυασμός πίεσης και θερμοκρασίας όπου μπορούν να συνυπάρχουν και οι τρεις φάσεις του νερού: Τ=0,01 0 C, P=610Pa (0,006atm)

12 l 0 Θερμική διαστολή T 0 Δl T 0 +ΔΤ 2Δl T 0 +2ΔΤ 2l 0 T 0 2Δl l al T 0 T 0 +ΔΤ

13 l al T 0 Για μικρές μεταβολές θερμοκρασίας α: συντελεστής γραμμικής διαστολής (grad -1 ) Για ισοτροπικά υλικά τι θα ισχύει για επιφανειακή και και χωρική διαστολή; A V 2aA 0 3aV T 0 T

14 Θερμική διαστολή του νερού Σε ποια θερμοκρασία το νερό έχει τη μέγιστη πυκνότητα; Σε ποια περιοχή θερμοκρασιών εμφανίζει το νερό ασυνήθιστη συμπεριφορά; Γιατί αυτή η ιδιαιτερότητα είναι τόσο σημαντική;

15 Συντελεστές θερμικής διαστολής Υλικό Συντελεστής γραμμικής διαστολής α (10-6 grad -1 ) Υλικό Συντελεστής κυβικής διαστολής β (10-6 grad -1 ) Αλουμίνιο 23,1 Οινόπνευμα 1120 Ανθρακας 1,18 Βενζίνη 950 Τσιμέντο 8-12 Υδράργυρος 181 Χαλκός 16.5 Νερό (1 0 C) -50 Γυαλί 8,5 Νερό (4 0 C) 0 Ατσάλι 12 Νερό (10 0 C) 88 Πάγος (0 0 C) 51 Νερό (50 0 C) 457

16 Θερμικές τάσεις Ενα ατσάλινο δοκάρι πακτώνεται ανάμεσα σε δύο τσιμεντένιους τοίχους. Εαν η θερμοκρασία αυξηθεί το δοκάρι θα διασταλεί; Εαν ήταν ελεύθερο πόση θα ήταν η μεταβολή του μήκους του; Ποιος θα ήταν ο λόγος της μεταβολής του μήκους προς το αρχικό μήκος Δl/l 0 ; Εφ όσον είναι πακτωμένο και έχει την τάση να διασταλεί ασκεί δύναμη στα σημεία στήριξης; l al 0 T l l 0 at l l 0 E l l 0 F AE at F AE F A EaT EaT

17 Θερμικές ιδιότητες της ύλης Η μεταφορά θερμότητας προς ή από ένα υλικό οδηγεί σε αύξηση ή μείωση της θερμοκρασίας του. Θεμελιώδης νόμος της θερμιδόμετρίας: Q=m c ΔΤ, Όπου Q: ποσό θερμότητας, m: μάζα υλικού c: ειδική θερμότητα ΔΤ: μεταβολή θερμοκρασίας Ποιες οι μονάδες, η φυσική σημασία και από τι εξαρτάται η ειδική θερμότητα ενός υλικού;

18 Υλικό Ειδική θερμότητα kcal/kg 0C J/kg 0C Αλουμίνιο 0, Χαλκός 0, Γυαλί 0, Ανθρώπινο σώμα 0, Πάγος 0, Σίδηρος 0, Υδράργυρος 0, Ασήμι 0, Ατμός 0, Νερό 1, Ξύλο 0,4 1700

19 Ενα λίτρο τσαγιού θερμοκρασίας C τοποθετείται σε μονωμένο γυάλινο μπουκάλι θερμοκρασίας 20 0 C. Αν η μάζα του μπουκαλιού είναι 0,2kg ποια θα είναι η τελική θερμοκρασία του τσαγιού;

20 Από ποιους παράγοντες εξαρτάται η αλλαγή φάσης ενός υλικού;

21 Διάγραμμα φάσεων

22 Διάγραμμα φάσης για το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) Διάγραμμα φάσης για το νερό (H 2 O) Παρατηρείτε κάποια διαφορά μεταξύ των δύο διαγραμμάτων;

23 Τι ποσό θερμότητας πρέπει να προσφέρω σε πάγο 0 0 C για να μετατραπεί σε νερό 0 0 C; Q L L m

24

25 Φτιάξτε ένα διάγραμμα της θερμότητας σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία για να φτάσει ένα κομμάτι πάγος 100g από τους C έως τους C.

26 Λέβητας χωρητικότητας V 200 l περιέχει νερό θερμοκρασίας 1 12 Παρέχουμε στο σύστημα θερμική ισχύ P o C. 8 kw έως ότου αυξηθεί η θερμοκρασία του νερού στην τιμή 2 65 o C. Να υπολογίσετε: α) την ενέργεια σε kwh και β) το χρόνο θέρμανσης. Δίνεται η πυκνότητα του νερού kg / m. Η θερμική μόνωση του λέβητα να θεωρηθεί ιδανική. Χαλκός μάζας m kg και θερμοκρασίας 1 12 o C βυθίζεται σε νερό μάζας 1 8 m kg και θερμοκρασίας συστήματος. o C. Να βρεθεί τελική θερμοκρασία του

27 Στο σχήμα εικονίζεται το διάγραμμα φάσεων ενός υλικού. Να περιγράψετε: α) την κατάσταση του υλικού στο σημείο (0) β) τις φάσεις από τις οποίες διέρχεται το υλικό για τη διαδικασία (1) έως (2) γ) τις φάσεις από τις οποίες διέρχεται το υλικό για τη διαδικασία (3) έως (4).

28 Ένας ποδοσφαιριστής χάνει στα 90min ενός αγώνα περίπου 4kg. Να υπολογίσετε: α) τη θερμότητα, που αποβάλλεται από την επιδερμίδα του στο περιβάλλον ως λανθάνουσα θερμότητα εξαέρωσης, β) τη θερμική ισχύ, που αντιστοιχεί σε αυτόν το ρυθμό αποβολής

29 Μηχανισμοί διάδοσης θερμότητας Αγωγή Μεταφορά Ακτινοβολία Αγωγή: στο ίδιο σώμα ή σώματα σε επαφή k: συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας H dq dt T ka L T Μεταφορά: ρευστά σε κίνηση

30 Αγωγή Ράβδος μήκους L και διατομής Α Τα δύο άκρα σε διαφορετικές σταθερές θερμοκρασίες: T H η ψηλότερη, Τ c η χαμηλότερη Θερμότητα θα μεταφέρεται από το θερμό στο ψυχρό άκρο μέσω των μοριακών κρούσεων, μέχρι την επίτευξη θερμικής ισορροπίας. Η θερμοκρασία θα μεταβάλλεται γραμμικά κατά μήκος της ράβδου Ποιοί παράγοντες επηρεάζουν το ρυθμό ροής θερμότητας; Q t T A H T L C Διατομή Α ΔL/ΔΤ: θερμοβαθμίδα Θερμική αγωγιμότητα κ

31 Υλικό Θερμική αγωγιμότητα (kcal/s m 0 C) Νερό 1, Αέρας (ξηρός) 0, Ιστός 0, Φαιμπεργκλας 0, Γυαλί ~ Μέταλλα Ατσάλι 3, Αλουμίνιο 5, Χαλκός 9, Ασήμι Γιατί τα μέταλλα είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας; Ο αέρας είναι καλός μονωτής. Πως το εκμεταλλεύόμαστε; Τι πρέπει να προσέξουμε;

32 Μεταφορά Ροή θερμότητας λόγω της ροής ρευστού. Ρεύματα μεταφοράς στη γη: αέρια και θαλάσσια καθορίζουν τις κλιματικές συνθήκες. Εξαναγκασμένη μεταφορά με αντλία ή ανεμιστήρα. Χρειάζεται παρουσία υλικού μέσου για αγωγή ή μεταφορά

33 Θερμική ακτινοβολία Μεταφορά φωτονίων μεταξύ σωμάτων διαφορετικής θερμοκρασίας Εκπέμπεται από όλα τα σώματα Πριν τους Κ εκπέμπεται υπέρυθρη ακτινοβολία Στους Κ εκπέμπεται κόκκινο Γύρω στους Κ εκπέμπεται λευκό (σύνθεση όλων των μηκών κύματος του ορατού φωτός) Σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες εκπέμπεται υπεριώδης ακτινοβολία

34 Νόμος Stefan - Boltzmann Εκπεμπόμενη ισχύς P=eσAT 4, Όπου Α: εμβαδόν επιφάνειας σώματος σ: σταθερά Stefan Boltzmann, σ=5, W/m2 k4. Τ: θερμοκρασία επιφάνειας e: εκπεμψιμότητα (τιμή από 0-1).

35 Μηχανισμοί μεταφοράς θερμότητας Σώμα: θερμική μηχανή Καύσιμα: Μεταβολισμός: 20% παραγόμενης ενέργειας για έργο, 80% χάνεται σα θερμότητα Βασικός μεταβολικός ρυθμός: 90kcal/h Σε 24 ώρες πόση θερμότητα παράγεται από το βασικό μεταβολικό ρυθμό; Σε πόση αύξηση θερμοκρασίας του σώματος αντιστοιχεί, εάν δεν υπήρχαν μηχανισμοί αποβολής θερμότητας;

36 Ρυθμός παραγωγής ενέργειας Δραστηριότητα Kcal/h W Ηρεμία Αργό περπάτημα Ποδήλασία (15km/h) Ανάβαση σκαλας Τρέξιμο (15km/h)

37 Παθητική αγωγή: οι ιστοί δεν είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας Μεταφορά από τη ροή του αίματος Αγωγή μέσω της λεπτής επιδερμίδας Μεταφορά λόγω αέρα και ιδρώτα, ακτινοβολία δέρματος

38 Θερμορυθμιστικοί μηχανισμοί Θέρμανση: Αύξηση ροής αίματος ώστε να φτάνει περισσότερο αίμα στην επιφάνεια (ερυθρότητα). Ιδρώτας: εξάτμιση Ψύξη Μείωση ροής αίματος ειδικά στα άκρα (κρυοπαγήματα) Τρέμουλο: Καύση στους μύες για να διατηρείται σταθερή η εσωτερική θερμοκρασία.

39 Μέση θερμοκρασία Γης: ισορροπία μεταξύ απορροφώμενης ακτινοβολίας από τον ήλιο και εκεπεμπόμενης ακτινοβολίας από τη Γη. Η γήινη ατμόσφαιρα επιτρέπει την διέλευση της ηλιακής ακτινοβολίας αλλά ανακλά ένα ποσοστό της υπέρυθρης ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τη γη Φαινόμενο θερμοκηπίου: σαν αποτέλεσμ η μέση θερμοκρασία της γης είναι 32 0 υψηλότερη από την αντίστοιχη εάν δεν λειτουργούσε το φαινόμενο Θέρμανση λόγω αερίων θερμοκηπίου (διοξείδιο του άνθρακα, οξείδιο του αζώτου, μεθάνιο, όζον) που απορροφούν έντονα το υπέρυθρο.

40 Καταστατικές παράμετροι: Πίεση Θερμοκρασία Ογκος Μάζα Καταστατική εξίσωση

41 Καταστατική εξίσωση ιδανικού αερίου PV nrt n: αριθμός γραμμομορίων R: 8,314 J/mol K Ιδανικό αέριο: θεωρητικά δεν ασκούνται δυνάμεις μεταξύ των μορίων του αερίου

42 Διαγράμματα PVT

43

44 Θερμοδυναμικά συστήματα Q: θερμότητα (θετική όταν προσφέρεται στο σύστημα) W: έργο (θετικό όταν παράγεται από το σύστημα) U: εσωτερική ενέργεια (άθροισμα των κινητικών ενεργειών των μορίων και της δυναμικής ενέργειας λόγω αλληλεπιδράσεων μεταξύ τους)

45 dw Fdx Pr 2 dx PdV W V 2 V 1 PdV Οταν η πίεση είναι σταθερή W=P(V 2 -V 1 ) Πόσο έργο παράγεται κατά την ισόθερμη εκτόνωση αερίου;

46 1ος θερμοδυναμικός νόμος ΔU=Q-W ΔU: μεταβολή εσωτερικής ενέργειας Η θερμότητα και το έργο εξαρτώνται από τη διαδρομή του συστήματος Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας εξαρτάται μόνο από την αρχική και την τελική κατάσταση

47 Το έργο είναι θετικό ή αρνητικό κατά τη μεταβολή; Τ b =T α /4 Πόσος ο όγκος στο b; Πόσο το έργο; Ποια τα πρόσημα θερμότητας και εσωτερικής ενέργειας

48 Είδη μεταβολών Αδιαβατική: Q=0 ΔU=-W Ισόχωρη: ΔV=0ΔU=Q Ισοβαρής: ΔP=0, W=P(V 2 -V 1 ) Ισόθερμη: ΔΤ=0, μόνο για ιδανικό αέριο ΔU=0Q=W

49

50 Οι αυθόρμητες θερμοδυναμικές διαδικασίες είναι μη αντιστρεπτές. Μεταφορά θερμότητας από θερμότερο σε ψυχρότερο σώμα. Τριβή

51 Θερμικές μηχανές Απορρόφηση θερμότητας Παραγωγή έργου Αποβολή θερμότητας σε χαμηλότερη θερμοκρασία. W Θερμή δεξαμενή Q in Qout Ψυχρή δεξαμενή Q in -Q out =W Θερμική απόδοση e e W Q in out 1 in Q Q Q in Q Q out in

52 Κύκλος Otto 1 e 1 r 1 1 -> 2 αδιαβατική συμπίεση 2-> 3 ισόχωρη μεταφορά θερμότητας στη μηχανή 3-> 4 αδιαβατική εκτόνωση 4 -> 1 ισόχωρη αποβολή θερμότητας

53 Κύκλος Diesel Μεγαλύτερη απόδοση λόγω μεγαλύτερου r

54 Κύκλος Carnot Θεωρητικό θερμοδυναμικό μοντέλο με μέγιστη απόδοση e T 1 T 2 T 1 Q 1 T 1 Q 2 T 2

55 Εντροπία: ποσοτικό μέτρο της αταξίας Η ενέργεια που δεν είναι διαθέσιμη για την παραγωγή έργου ds dq T Σε αντιστρεπτή κυκλική διαδικασία η μεταβολή της εντροπίας είναι μηδενική.

56 Θερμοδυναμικές μεταβολές σε T-S διαγράμματα