ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ. 2.1 Εισαγωγή

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ. 2.1 Εισαγωγή"

Ἠώς Αξιώτης
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ: ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ Εισαγωγή ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ Σύστημα: Ένα σύνολο σωματιδίων που τα ξεχωρίζουμε από τα υπόλοιπα για να τα μελετήσουμε ονομάζεται σύστημα. Οτιδήποτε δεν ανήκει στο σύστημα λέμε ότι ανήκει στο περιβάλλον του. Σύστημα μπορεί να είναι ένα κομμάτι ύλης σε στερεά, υγρή ή αέρια κατάσταση. Εμείς θα ασχοληθούμε με αέρια συστήματα.τα συστήματα ανταλλάσσουν με το περιβάλλον τους ενέργεια είτε με τη μορφή έργου είτε με τη μορφή θερμότητας και λέγονται θερμοδυναμικά. Η περιγραφή ενός θερμοδυνανμικού συστήματος γίνεται με τις θερμοδυναμικές μεταβλητές, ο αριθμός των οποίων εξαρτάται από την ίδια τη φύση του. Στα αέρια θερμοδυναμικά συστήματα οι θερμοδυναμικές μεταβλητές είναι η πίεση, ο όγκος, η θερμοκρασία και ο αριθμός των moles. Θερμοδυναμική Ισορροπία: Όταν όλες οι θερμοδυναμικές μεταβλητές ενός συστήματος έχουν, η κάθε μία ξεχωριστά, την ίδια τιμή σε όλη την έκταση του, λέμε ότι το σύστημα βρίσκεται σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας. Για τη περίπτωση ενός αέριου θερμοδυναμικού συστήματος, η πίεση, η θερμοκρασία, ο όγκος και ο αριθμός των moles,θα έχουν σταθερή τιμή σε όλο τον όγκο του αερίου. Καταστατική Εξίσωση: Μια εξίσωση που συνδέει τις θερμοδυναμικές μεταβλητές λέγεται καταστατική. Για τα ιδανικά αέρια η εξίσωση αυτή μας είναι γνωστή (= nrt). Μια συγκεκριμένη ποσότητα ενός ιδανικού αερίου σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας,παριστάνεται με ένα σημείο σε διάγραμμα -. Αντιστρεπτές Μεταβολές: Το σύστημα μας θα ανταλλάσσει με το περιβάλλον του ενέργεια με αποτέλεσμα να μεταπηδά από μια κατάσταση ισορροπίας σε μια άλλη. Αν η μεταπήδηση πραγματοποιηθεί πολύ αργά, το σύστημα και το περιβάλλον θα προλαβαίνει να επανέρχεται σε κατάσταση ισορροπίας. Θα περνά δηλαδή διαδοχικά από όλες τις ενδιάμεσες καταστάσεις ισορροπίας. Μια τέτοια μεταβολή λέγεται αντιστρεπτή. Οι μεταβολές στη φύση είναι μη αντιστρεπτές. Κάτω όμως από κάποιες προυποθέσεις μπορούν να θεωρηθούν σαν τέτοιες(να είναι αργές και να μην παρουσιάζονται τριβές). Μια αντιστρεπτή μεταβολή παριστάνεται, σε διάγραμμα - με μια συνεχόμενη γραμμή που ενώνει την αρχική με την τελική κατάσταση. ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΗ ΜΗ ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΗ

2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ: ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ Ένα θερμοδυναμικό σύστημα ανταλλάσσει με το περιβάλλον του ενέργεια με δύο τρόπους: Οργανωμένα, με τη μορφή έργου Ανοργάνωτα, με τη μορφή θερμότητας Και οι δύο έννοιες υπάρχουν μόνο όταν η ενέργεια ρέει μεταξύ συστήματος και περιβάλλοντος, δεν είναι δηλαδή μεγέθη καταστατικά. Η ροή θερμότητας εξασφαλίζεται μόνο εάν μεταξύ συστήματος και περιβάλλοντος υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας, έστω και απειροελάχιστη. Η θερμότητα που προσφέρεται ή απάγεται από ένα σύστημα,κατά τη διάρκεια μιας μεταβολής, εξαρτάται από το είδος της μεταβολής. ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ HEAT TEMERATURE Μονάδα θερμότητας είναι το 1 Joule. Το πρόσημο της θερμότητας καθορίζεται όπως στο παρακάτω σχήμα: Το ποσό της θερμότητας που χρειάζεται για να μεταβληθεί η θερμοκρασία του συστήματος κατά ΔΤ δίνεται από τη σχέση: Όπου n ο αριθμός των moles και c η ειδική γραμμομοριακή θερμότητα σε joule /mole K. Εάν η θερμότητα στα αέρια προσφέρεται με σταθερό τον όγκο τότε η σχέση γράφεται: Q =nc ΔT Εάν όμως προσφέρεται με τη πίεση σταθερή τότε γράφεται: Q =nc ΔT Όπου c, c οι ειδικές θερμότητες υπό σταθερό όγκο και πίεση αντίστοιχα.

3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ: ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΕΡΓΟ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΕΚΤΟΝΩΣΗ ΕΝΟΣ ΑΕΡΙΟΥ Ι ) Όταν η πίεση είναι σταθερή: Πραγματοποιούμε μια αντιστρεπτή μεταβολή, διατηρώντας σταθερή τη πίεση (= εξ ), όπου το αέριο εκτονώνεται από όγκο αρχ σε τελ. Κατά τη μετακίνηση του εμβόλου παράγεται έργο ίσο με : ( τελ αρχ ) W = F s = A s = = Σε διάγραμμα πίεσης όγκου το γραμμοσκιασμένο εμβαδόν παριστάνει το έργο. W αρχ τελ Παρατηρούμε ότι το έργο στην εκτόνωση(αυξάνεται ο όγκος) είναι θετικό και στη συμπίεση (μειώνεται ο όγκος) αρνητικό. ΙΙ ) Όταν η πίεση δεν παραμένει σταθερή: Tο έργο υπολογίζεται μόνο από το εμβαδόν στο διάγραμμα πίεσης όγκου

4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ: ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ 4 Το έργο δεν είναι καταστατικό μέγεθος. Έχει νόημα μόνο κατά τη διάρκεια της μεταβολής. Εάν η μεταβολή είναι κυκλική τότε το έργο είναι ίσο με το εμβαδόν του χωρίου που περικλείεται ανάμεσα στις μεταβολές. Εάν η μεταβολή έχει φορά εκείνη των δεικτών του ρολογιού τότε το έργο θα είναι θετικό. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΕΡΓΟΥ-ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ 1.Αναφέρονται μόνο σε μεταβολές καταστάσεων 2.Εκφράζουν μεταφορά ενέργειας μεταξύ συστήματος και περιβάλλοντος. 3.Εξαρτώνται από τη μεταβολή. 2.4 ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ένα θερμοδυναμικό σύστημα αποτελείται από μεγάλο πλήθος μορίων. Το άθροισμα των ενεργειών όλων των μορφών των μορίων ονομάζεται εσωτερική ενέργεια του συστήματος. Επειδή εμείς μελετάμε μόνο ιδανικά αέρια, τα μόρια έχουν μόνο όρους κινητικής ενέργειας. U=E KIN. ΜΟΡΙΩΝ Η εσωτερική ενέργεια,σε αντίθεση με το έργο και τη θερμότητα, εξαρτάται από τη κατάσταση του συστήματος, είναι δηλαδή καταστατικό μέγεθος. Στη περίπτωση του ιδανικού αερίου είναι συνάρτηση δύο παραγόντων: Της θερμοκρασίας και Του πλήθους των μορίων. U=U(n,T) ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΗΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1. Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας εξαρτάται μόνο από την αρχική και τη τελική κατάσταση και όχι από τον τρόπο που έγινε η μεταβολή. ΔU=U B -U A 2. Σε κυκλική μεταβολή η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας είναι μηδέν.

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ: ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ 5 A (1) (2) B ΔU AB (1) =ΔU AB (2) ΔU AA =0 2.5 ΠΡΩΤΟΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ Σε όλες τις διαδικασίες ανταλλαγής ενέργειας μεταξύ συστήματος και περιβάλλοντος ισχύει η βασική αρχή της διατήρησης της ενέργειας. Όμως θα πρέπει να τροποποιήσουμε την αρχή αυτή για συμπεριλάβει μέσα της και τη νέα μορφή ενέργειας που είναι η θερμότητα. Η θερμότητα που προσφέρουμε σ ένα αέριο είναι ίση με το άθροισμα της αύξησης της εσωτερικής ενέργειας του και του έργου που παράγει το αέριο.

Σχετικά έγγραφα

Φυσική Προσανατολισμού Β Λυκείου Κεφάλαιο 2 ο. Σύντομη Θεωρία

Φυσική Προσανατολισμού Β Λυκείου 05-06 Κεφάλαιο ο Σύντομη Θεωρία Θερμοδυναμικό σύστημα είναι το σύστημα το οποίο για να το περιγράψουμε χρησιμοποιούμε και θερμοδυναμικά μεγέθη, όπως τη θερμοκρασία, τη