12 η Διάλεξη Θερμοδυναμική

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "12 η Διάλεξη Θερμοδυναμική"

Σπάρτακος Καραμήτσος
6 χρόνια πριν
Προβολές:

1 12 η Διάλεξη Θερμοδυναμική Φίλιππος Φαρμάκης Επ. Καθηγητής 1 ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ Εισαγωγικά Προσέγγιση των μεγεθών όπως πίεση, θερμοκρασία, κλπ. με άλλο τρόπο (διαφορετικό από την στατιστική φυσική) Ασχολείται με όλο το σύστημα και όχι με τα άτομα/μόρια που το αποτελούν 2 1

2 Βασικές αρχές Τι σημαίνει θερμότητα (heat) Ο τρόπος μεταφοράς ενέργειας από ένα σώμα σε κάποιο άλλο εξαιτίας μιας διαφοράς θερμοκρασίας Moνάδες θερμότητας cal: η απαιτούμενη ποσότητα θερμότητας για την αύξηση της θερμοκρασίας 1 gr νερού κατά 1 o C (kcal: 1000 cal, 1 cal=4,186 J) Btu (British thermal unit): η απαιτούμενη ποσότητα θερμότητας για την αύξηση της θερμοκρασίας 1 lb νερού κατά 1 o F 1 Btu=0.252 kcal = 1056 kj 3 Βασικές αρχές Διάκριση θερμοκρασίας, θερμότητας, εσωτερικής ενέργειας Θερμότητα (heat) είναι η ενέργεια που μεταφέρεται Θερμοκρασία είναι το μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας των μορίων Εσωτερική ενέργεια είναι το σύνολο της ενέργειας όλων των μορίων ενός σώματος (για ιδανικό αέριο " # nrt) 4 2

3 Ειδική θερμότητα Πόσο αυξάνεται η θερμοκρασία ενός σώματος όταν ρέει προς αυτό θερμότητα; Θερμότητα Ειδική θερμότητα c Q = m x c x ΔT Μάζα Πόση θερμότητα χρειάζεται 1 kg υλικού για να ανεβάσει 1 o C Όσο μεγαλύτερη η ειδική θερμότητα, τόσο πιο δύσκολα θερμαίνεται το υλικό Εναλλακτικά Q = n x C x ΔT Διαφορά θερμοκρασίας Όπου C=Μοριακός Βάρος x c και n ο αριθμός των moles 5 Ειδική θερμότητα Παραδείγματα ειδικής θερμότητας υλικών Υλικό c (J kg -1 K -1 ) Υλικό c (J kg -1 K -1 ) Αλουμίνιο 900 Πάγος 2100 Σίδηρος 450 Ξύλο 1700 Χαλκός 390 Νάιλον 1700 Ψευδάργυρος 380 Μάρμαρο 880 Ασήμι 230 Μπετόν 850 Υδράργυρος 140 Γρανίτης 840 Πλατίνα 130 Άμμος 800 Υδρογόνο Γυαλί 670 Αέρας 718 Άνθρακας 500 Άζωτο 1040 Νερό 4186 Ατμός 2000 Νερό θάλασσας

Λανθάνουσα θερμότητα Φάσεις της ύλης Στερεή, υγρή, αέρια

δεν αυξάνει μόνο τη θερμοκρασία, αλλά μπορεί και να αλλάξει

)=ΔU = Q - W W Η αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας ισούται με

παράγει το σύστημα U 1 U 2 Προσοχή: - Θετική θερμότητα αυτή

4 Λανθάνουσα θερμότητα Φάσεις της ύλης Στερεή, υγρή, αέρια Θερμότητα τήξης, θερμότητα εξάτμισης Συνεπώς, η θερμότητα δεν αυξάνει μόνο τη θερμοκρασία, αλλά μπορεί και να αλλάξει τη φάση της ύλης 7 Πρώτος θερμοδυναμικός νόμος (U 1 -U 2 )=ΔU = Q - W W Η αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας ισούται με την θερμότητα που παρέχεται στο σύστημα μείον το έργο που παράγει το σύστημα U 1 U 2 Προσοχή: - Θετική θερμότητα αυτή που παρέχεται στο σύστημα - Θετικό έργο αυτό που αποδίδει το σύστημα 8 4

5 Εφαρμογές πρώτου θερμοδυναμικού νόμου 9 Μεταφορά θερμότητας Μεταφορά θερμότητας: αγωγή (conduction), συναγωγή (convection), ακτινοβολία (radiation) 10 5

θερμότητας Μεταφορά από συναγωγή Αφορά στα ρευστά και αέρια

6 Μεταφορά θερμότητας Μεταφορά θερμότητας με αγωγή Κυρίως στα μέταλλα (αγωγή κυρίως από τα ηλεκτρόνια) 11 Μεταφορά θερμότητας Μεταφορά από συναγωγή Αφορά στα ρευστά και αέρια (παράδειγμα ο τρόπος με τον οποίο θερμαίνεται ο χώρος από τα καλοριφέρ) 12 6

0-1) Παραδείγματα μεταφοράς θερμότητας από ακτινοβολίας: Ήλιος,

7 Μεταφορά θερμότητας Μεταφορά θερμότητας από ακτινοβολία ΔQ Δt = εσat/ Νόμος Stephan-Boltzmann Επιφάνεια Συντελεστής Εκπομπής (τιμές 0-1) Παραδείγματα μεταφοράς θερμότητας από ακτινοβολίας: Ήλιος, τζάκι, 13 Διεργασίες Ισόθερμες T 1 Ισοβαρής T 2 Ισόθερμη Ισόχωρη Αδιαβατική 14 7

8 Ισόθερμη T 1 Έργο από τις διεργασίες dw = F 3 dl = Adl = d Για ένα ιδανικό αέριο ισχύει = nrt Το συνολικό έργο που αποδίδεται σε (ή παράγεται από) ένα ιδανικό αέριο αν μεταβληθεί ο όγκος του από A σε B θα είναι 9 : 9 : W = 8 d = nrt 8 d = nrtln = 9 ; > 9 ; Ισόχωρη Αφού d = 0 W = 0 Ισοβαρής Το συνολικό έργο που αποδίδεται σε (ή παράγεται από) ένα ιδανικό αέριο αν μεταβληθεί ο όγκος του από A σε B θα είναι 9 : W = d = ( 9 ; = > ) ή W = nrt = (1 9 ; 9 : ) 15 Έργο από τις διεργασίες Υπολογίστε το έργο μεταξυ των δύο διαδρομών A->B A->D->B Είναι το ίδιο; Τί συμπεραίνουμε; 16 8

9 Αδιαβατική διαστολή Κατά την αδιαβατική διαστολή, το σύστημα δεν ανταλάσσει θερμότητα με το περιβάλλον (Q=0), αλλά μειώνει την εσωτερική του ενέργεια Είναι πιο απότομη από την ισόθερμη Αποδεικνύεται ότι F = constant Ο συντελεστής γ = L M L N T 1 T 2 C p είναι η μοριακή ειδική θερμότητα υπό σταθερή πίεση C v είναι η μοριακή ειδική θερμότητα υπό σταθερό όγκο 17 Δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος Προς ποια κατεύθυνση μεταφέρεται αυθόρμητα η θερμότητα Α) από το θερμό στο ψυχρό, ή Β) από το ψυχρό στο θερμό;? Τ Η? Τ L Μία διατύπωση του δεύτερου θερμοδυναμικού νόμου (διατύπωση Clausius) Η θερμότητα μπορεί να ρέει αυθόρμητα από ένα θερμό σώμα προς ένα ψυχρό και όχι αντίστροφα 18 9

10 Μηχανή καύσης Υψηλή θερμοκρασία Απόδοση μηχανής e = W Q Q Q H =W+Q L Q H Αφού Q H =W+Q L τότε e = 1 Q R Q Q Έργο, W Q L Χαμηλή θερμοκρασία Η απόδοση μπορεί θεωρητικά να κυμανθεί από 0 έως 1 (θα πρέπει Q L =0, το οποίο είναι μέχρι στιγμής δεν έχει ποτέ συμβεί) Μία διατύπωση του δεύτερου θερμοδυναμικού νόμου (διατύπωση Clausius) Δεν είναι εφικτή η κατασκευή μιας διάταξης, η αποκλειστική λειτουργία της οποίας να είναι η εξολοκλήρου μετατροπή μιας δεδομένης ποσότητας θερμότητας σε έργο 19 Μηχανή Carnot Αντιστρεπτή διεργασία Πραγματοποιείται απείρως αργά Διαδοχική σειρά καταστάσεων ισορροπίας Χωρίς τριβές Μη αντιστρεπτές Όλες οι άλλες Στην πραγματικότητα όλες! 20 10

11 Μηχανή Carnot Κύκλος Carnot a->b: Ισόθερμη διαστολή (εκτόνωση) b->c: Αδιαβατική διαστολή(εκτόνωση) c->d: Ισόθερμη συστολή (συμπίεση) d->a: Αδιαβατική συστολή (συμπίεση) Γνωρίζοντας ότι η απόδοση μιας θερμικής μηχανής είναι e = 1 Q R Q Q Αποδεικνύεται ότι απόδοση της μηχανής Carnot θα είναι Q R = T R Q Q T Q e = 1 Τ R και άρα Τ Q Θεώρημα Carnot «Όλες οι αντιστρεπτές μηχανές που λειτουργούν μεταξύ δύο θερμοκρασιών T H και T L έχουν την ίδια απόδοση. Κάθε αντίστοιχη μη αντιστρεπτή μηχανή θα έχει απόδοση μικρότερη από αυτή». 21 Ψυκτικές μηχανές Λειτουργία αντίθετη από τις θερμικές μηχανές Αφαίρεση θερμότητας από την ψυχρή περιοχή Υψηλή θερμοκρασία Q H Q H =W+Q L Έργο, W Q L Χαμηλή θερμοκρασία 22 11

12 Εντροπία Εντροπία ορίζεται ως ο λόγος της προσφερόμενης θερμότητας σε ένα σύστημα που λαμβάνει χώρα σε σταθερή θερμοκρασία ΔS = Q T ή πιο γενικά ds = dq T Όταν ένα σύστημα μεταβαίνει από μία κάτασταση Α σε μία άλλη Β (αντιστρεπτά) τότε ΔS = S = S > = 8 dq T Σε έναν πλήρη κύκλο η μεταβολή της εντροπίας είναι μηδέν. Άρα η εντροπία αποτελεί ιδιότητα της κατάστασης του συστήματος! > = 23 Αταξία θερμικός θάνατος Εντροπία: μέτρο της αταξίας Όταν οι μεταβολές δεν είναι αντιστρεπτές τότε η εντροπία αυξάνει Δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος (Γενική διατύπωση) Η εντροπία του σύμπαντος πάντα αυξάνει 24 12

Σχετικά έγγραφα

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ. Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο. 11 Μαΐου 2006

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ. Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο. 11 Μαΐου 2006 ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο 11 Μαΐου 2006 Κλάδοι της Θερμοδυναμικής Χημική Θερμοδυναμική: Μελετά τις μετατροπές ενέργειας που συνοδεύουν φυσικά ή χημικά φαινόμενα Θερμοχημεία: Κλάδος της Χημικής