Prvi zakon termodinamike

Transcript

1 Prvi zakon termodinamike

2 Uvod Prvi princip termodinamike je apsolutni prirodni zakon koji važi za sve pojave koje se odigravaju na svim prostornim nivoima (mikro, makro i mega svetu). Zasnovan je na brojnim analizama,posrednim i neposrednim dokazima, eksperimentima o odnosima različitih vrsta energije. Opšti fizički princip koji važi je da: ukupna količina energije ostaje nepromenjena bez obzira kakvi se procesi dogadjaju.

3 Sistem

4 Osnovni pojmovi Energija merilo sposobnosti sistema da vrši rad ili odaje toplotu Rad energija utrošena na kretanje predmeta nasuprot sile Toplota vrsta energije koja se prenosi kao rezultat temperaturne razlike sistema i okoline Temperatura stepen zagrejanosti nekog tela

5 Zatvoreni sistemi Unutrašnja energija zatvorenih sistema koji kao celina miruju može se menjati kada se rad i toplota razmenjuju izmedju sistema i okoline. U 2 U1 Q12 W 12 du Tds pdv To predstavlja definiciju prvog zakona termodinamike za zatvorene termodinamičke sisteme.

6 Zatvoreni sistemi Zatvoreni termodinamički sistemi su oni sistemi koji su nepropusni za masu radne materije. Jedan od primera ovog zakona je kada se greje gas u nekom cilindričnom rezervoaru kada se usled dovođenja toplote uvećava unutrašnja energija gasa i gas se širi i obavlja rad kao što je guranje klipa u motoru sa unutrašnjim sagorevanjem.

7 Prvi zakon termodinamike - Energija se ne može niti stvoriti niti uništiti! - Ukupna energija u svemiru je konstantna! - Energija se može prevesti iz jednog oblika u drugi!

8 TRANSFORMACIJE ENERGIJE

9 Primena prvog zakona termodinamike Kada sistem prolazi kroz fiziĉku i hemijsku promenu, promena unutrašnje energije je jednaka toplotnoj energiji koju sistem otpušta ili prima, plus rad koji sistem vrši ili se vrši nad sistemom odnosno: ΔU = q + w q = ΔU - w

10 Prvi princip termodinamike za zatvoreni termo-mehanički sistem toplota i rad predstavljaju načine prenosa energije.

11 Prvi princip termodinamike za zatvoreni termo-mehanički sistem

12 Nepokretan termodinamički sistem

13 Matematički izraz prvog principa termodinamike Matematička formulacija prvog zakona termodinamike u diferencijalnom obliku glasi: du Q W Ovaj izraz govori da do malog uvećanja unutrašnje energije du radne materije u zatvorenom termodinamičkom sistemu dolazi ili ukoliko se toj radnoj materiji dovede mala količina toplote δq i/ili dovede mala količina rada δw (drugim rečima nad radnom materijom izvrši mali rad tako što se radna materija veoma malo sabije utiskivanjem nekog klipa).

14 Matematički izraz prvog principa termodinamike Integracija ovog izraza daje matematičku formulaciju prvog zakona termodinamike u integralnom obliku: U 2 U1 Q12 W Ovaj izraz govori da se unutrašnja energija zatvorenog termodinamičkog sistema menja od stanja 1 do stanja 2 (U 1 -U 2 ) tako što se pri ovoj promeni stanja ovom sistemu dovodi odredjena količina toplote Q 12 i/ili odredjena količina rada W

15 Primer toplote i rada

16 Primer toplote i rada Ovaj primer govori o tome da za krajnje stanje sistema (gas u cilindru) nije značajno da li mu je energija dostavljena ili kao toplota ili kao rad. Primer može pomoći da se jasnije razumeju pojmovi toplote i rada. Ključna ideja iz ovog primera je da ukoliko imate neki gas sa visokom temperaturom nemože se reći da li je gas dostigao tu temperaturu tako što je grejan ili što se obavio rad nad njim ili desila kombinacija ta dva

17 Primer toplote i rada Prvi zakon indetifikuje toplotu i rad kao načine prenosa toplote koji dovode do promene unutrašnje energije sistema. Niti rad niti toplota nisu korisni u opisivanju konačnog stanja sistema kada se može samo govoriti o unutrašnjoj energiji sistema. Mehanički ekvivalent toplote. Obe, toplota i rad, predstavljaju načine prenosa energije. Kao što je ilustrovano u prethodnom primeru, temperatura gasa može da se uveća ili zagrevanjem ili obavljanjem rada ili istovremeno na oba načina

18 Primer toplote i rada U klasičnom eksperimentu 1843 god, James Joule dokazao je energetsku jednakost između grejanja i obavljanja rada tako što je merio promenu potencijalne energije mase koja pada i goni mešalicu koja meša vodu u izolovanom kontejneru. Pažljiva merenja pokazala su da je uvećanje temperature vode proporcionalno mehaničkoj energiji koja se upotrebljava da se meša voda. U to vreme kalorije su bile prihvatljive jedinice za toplotu i džuli su postali prihvaćena jedinica mehaničke energije. Njihova izmerena relacija je 1 calorie = 4,1868 J

19 Pojam entalpije Entalpija, H: Toplotna energija koja se razmenjuje između sistema i okoline pri konstantnom pritisku. H = U + PV Entalpija je funkcija stanja sistema!!! Nemoguće je meriti aposolutnu vrednost entalpije nego samo njenu promenu ΔH = Δ(U + PV) Ako je pritisak konstantan sledi: ΔH = ΔU + P ΔV

20 Entalpija

21 Otvoreni sistemi U praksi najčešće će se izučavati termodinamika otvorenih sistema. Prvi zakon termodinamike za otvorene sisteme u diferencijalnom obliku dat je izrazom: dh Q W W t Ovaj izraz govori da mala razlika entalpija dh radne materije koja izlazi iz otvorenog termodinamičkog sistema i radne materije koja ulazi u otvoreni termodinamički sistem nastaje usled dovođenja elementarne količine toplote δq i/ili dovođenja elementarne količine tehničkog rada δw t u otvoreni termodinamički sistem.

22 Otvoreni sistemi Otvoreni termodinamički sistem koji često koristimo jeste fen za kosu. Ventilator u fenu za kosu usisava vazduh iz prostorije, zagreva ga na grejaču fena i tako zagrejanog ga ubacuje natrag u prostoriju. U mašini (fenu za kosu) dolazi do razmene energije. Fluid (vazduh) u mašini pored unutrašnje poseduje još i kinetičku i potencijalnu energiju. Ako su brzine strujanja male i strujanje ekvipotencijalno, kinetička i potencijalna energija se mogu zanemariti u odnosu na količinu ostale razmenjene energije u procesu.

23 Otvoreni sistemi Relacija za prvi zakon termodinamike u integralnom obliku za otvorene sisteme: H H H W t12 Ovaj izraz govori da razlika entalpija radne materije koja izlazi iz otvorenog termodinamičkog sistema H 2 i radne materije koja ulazi u otvoreni termodinamički sistem H 1 nastaje usled dovođenja količine toplote Q 12 i/ili dovođenja količine tehničkog rada W t12 u otvoreni termodinamički sistem. Q

24 Termodinamički procesi (promene stanja) Kako se tokom vremena u nekom termodinamičkom sistemu može menjati ili temperatura ili pritisak ili zapremina to predstavlja njegovu promenu stanja. Da bi se te promene bolje izračunale, dalje se uvodi definicija promene stanja, kao i kvazistatičkih i nekvazistatičkih promena stanja. Zatim se za kvazistatičke promene stanja pokazuje kako se izrčunava apsolutni rad, tehnički rad i razmenjena količina toplote, vrednost specifične toplote, uvodi se definicija kvazistatičke politrope, izentrope, izohore, izobare, i izoentrope.

25 Termodinamički procesi (promene stanja) Svaka promena stanja pri kojoj nemamo razmenu toplote predstavlja izentropsku promenu stanja. Promena stanja koja se odigrava u nekom zatvorenoj staklenoj posudi predstavlja izohorsku promenu stanja. Promena stanja koja se odigrava tako što se održava stalna temperatura u radnom gasu jeste izotermska promena stanja. Promena stanja pri kojoj nema promena pritiska je izobarska promena stanja.

26 Promene stanja, kvazistatistatičke i nekvazistatičke Pod temodinamičkim procesom ili promenom stanja termodinamičkog sistema podrazumeva se prelazak posmatranog termodinamičkog sistema iz nekog početnog stanja u nako drugo stanje pri čemu se menja ili jedna ili više veličina stanja tog sistema. Ukoliko se tokom termodinamičkog procesa menja sastav sistema (struktura i/ili količina mase u jednoj ili više njegovih faza) onda je to hemijski proces. Ukoliko nema promena u sastavu niti jedne od faza tada se radi o fizičkom procesu.

27 Promene stanja, kvazistatistatičke i nekvazistatičke Promena stanja termodinamičkog sistema: a)kvazistatička, b)nekvazistatička

28 Nekvazistatički procesi Stvarni procesi nisu kvazistatički i nazivaju se nekvazistatičkim. Nekvazistatiočki procesi odvijaju se veoma brzo. Pri takvim procesima sistem prolazi kroz niz neuravnoteženih stanja. Primera radi, jedan gas je u neravnotežnom (neuravnoteženom) stanju ako po čitavoj svojoj zapremini nema isti pritisak i temperaturu.

29 Pauza

30 Entropija

31 DRUGI PRINCIP TERMODINAMIKE ZA ZATVORENE TERMODINAMIČKE SISTEME Određuje smer toplotnih procesa: toplota nikada ne prelazi spontano sa tela koje ime nižu temperaturu na telo koje ima višu temperaturu. Pored smera toplotnih procesa, drugi princip termodinamike pokazuje nemogućnost postojanja perpetuum mobile druge vrste.

32 Pojam entropije Entropija je veličina određena količnikom toplote i apsolutne temperature. Drugi princip termodinamike opisuje posledice entropije: Ne može se dobiti rad prenosom toplote sa hladnijeg na toplije telo. Isti princip predviđa da entropija sistema prepuštenog samom sebi može samo spontano da raste, sistem prepušten sam sebi nastoji da pređe iz stanja manje u stanje veće uređenosti.

33 Spontanost Svi spontani procesi se odigravaju u smeru porasta entropije. Užarena cev - spontano postaje hladna na sobnoj temp., obratno NIJE spontan Gas u dvostrukom sudu sa slavinom, spontano se širi u ceo sud, obratno nespontan proces Toplije telo predaje toplotu hladnijem SPONTANO

34 Spontanost

35 Proces sagorevanja - raste entropija

36 Topljenje leda raste entropija

37 Pojam entropije ENTROPIJA PREDSTAVLJA MERU NEUREĐENOSTI JEDNOG SISTEMA!!!!

38 Pojam entropije

39

40 Entropija i temperatura

41 Drugi zakon termodinamike Drugi zakon termodinamike nije univerzalni prirodni zakon, ne važi za sve sisteme, naročito ne za neobične sisteme (mikrouslovi, svemirski uslovi). Zasnovan je na zajedničkom ljudskom iskustvu, a ne na složenim teorijama i eksperimentima.

42