httpwwwifpwrwrocpl~wozniakfizyka1html

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Katedra Optyki i Fotoniki

Wydział Podstawowych Problemoacutew Techniki

Politechnika Wrocławska

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Wykład FIZYKA I

13 Termodynamika fenomenologiczna cz I

TERMODYNAMIKA

Termodynamika ndash dział fizyki zajmujący się energią

wewnętrzną układu

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Energia wewnętrzna (oznaczana zwykle jako U lub Ew) w termodynamice ndash

całkowita energia układu będącą sumą energii potencjalnej i kinetycznej

makroskopowych części układu energii kinetycznej cząsteczek energii

potencjalnej oddziaływań międzycząsteczkowych i wewnątrzcząsteczkowych etc

[Wikipedia PL]

Energia termiczna (zwana też potocznie energią cieplną) ndash część energii wewnętrznej

układu ktoacutera jest związana z chaotycznym ruchem cząsteczek układu [Wikipedia PL]

In thermodynamics the internal energy is one of the two cardinal state

functions of the state variables of a thermodynamic system It refers to energy

contained within the system while excluding the kinetic energy of motion of the

system as a whole and the potential energy of the system as a whole due to

external force fields It keeps account of the gains and losses of energy of the

system [Wikipedia ENG]

TERMODYNAMIKA

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Podstawowe wielkości termodynamiki fenomenologicznej

objętość ciśnienie i temperatura

Temperatura definiowana w ramach termodynamiki

klasycznej (makroskopowej) to parametr opisujący stan

roacutewnowagi termodynamicznej układu

Budowa wszystkich urządzeń do pomiaru temperatury bazuje na zerowej

zasadzie termodynamiki

jeżeli ciało 1 i ciało 2 znajdują się w roacutewnowadze termodynamicznej i ciała 2 i 3

są roacutewnież w takiej roacutewnowadze to ciała 1 i 3 są także w tej samej roacutewnowadze

termodynamicznej w ktoacuterej byłyby gdyby były w kontakcie ze sobą

SKALE TEMPERATUR

Bezwzględna skala temperatur ndash skala Kelvina ndash oparta jest na definicji

punktu bdquo0rdquo jako bdquozerardquo energii kinetycznej kiedy ustaje wszelki ruch

cząsteczek i jednostce temperatury ndash kelwinie (K) ndash roacutewnym stopniowi

Celsjusza bdquoZero bezwzględnerdquo to ok ndash273 stopnie w bardziej znanej na co

dzień skali Celsjusza

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Skala Celsjusza została stworzona na bazie dwoacutech punktoacutew charakterystycznych

dla wody temperaturze zamarzania (przyjętej za bdquo0rdquo) i temperaturze wrzenia (jako

bdquo100rdquo) Jednostką jest więc 1100 tego przedziału zwana stopniem Celsjusza (C)

W krajach anglosaskich powszechnie używana jest skala Fahrenheita (oparta na

idei Roslashmera)ndash jeden stopień tej skali (F) roacutewna się 59 stopnia Celsjusza

Inne spotykane skale temperatur ndash Roslashmera Reaumura Rankinersquoa ndash mają już

dziś tylko znaczenie historyczne

SKALE TEMPERATUR

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Celsius in Fahrenheit Celsius 18 + 32

Celsius in Kelvin Celsius + 27315

Celsius in Rankine Celsius 18 + 49167

Celsius in Reaumur Celsius 08

Fahrenheit in Celsius ( Fahrenheit - 32 ) (59)

Fahrenheit in Kelvin ( Fahrenheit - 32 ) (59) + 27315

Fahrenheit in Rankine Fahrenheit + 45967

Fahrenheit in Reaumur ( Fahrenheit - 32 ) (49)

Kelvin in Celsius Kelvin - 27315

Kelvin in Fahrenheit ( Kelvin - 27315 ) 18 + 32

Kelvin in Rankine Kelvin 18

Kelvin in Reaumur ( Kelvin - 27315 ) 08

Rankine in Celsius ( Rankine (59) ) - 27315

Rankine in Fahrenheit Rankine - 45967

Rankine in Kelvin Rankine ( 59)

Rankine in Reaumur ( Rankine (49) ) - 21852

Reaumur in Celsius Reaumur 125

Reaumur in Fahrenheit Reaumur 225 + 32

Reaumur in Kelvin Reaumur 125 + 27315

Reaumur in Rankine Reaumur 225 + 49167

TERMOMETRY

Budowa termometroacutew oparta jest na jej definicji makroskopowej

wiążącej inne mierzalne parametry gazu doskonałego ndash ciśnienie i

objętość ndash z szukaną temperaturą bądź na pomiarze innych wielkości

fizycznych ktoacuterych wartość zależy od temperatury

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Termometry bdquoobjętościowerdquo związane są ze zmianą wymiaroacutew ciała ze

zmianą temperatury (rozszerzalność liniowa)Najprostszym przykładem jest termometr rtęciowy Dokładniejszym przyrządem

tego typu jest termometry gazowy stałego ciśnienia Pomiar temperatury polega

na pomiarze objętości (wymiaru liniowego) rozszerzającego się ośrodka

Termometry gazowe stałej objętości bazują na pomiarze zmian ciśnienia

ze zmianą temperaturySłużą do pomiaroacutew niskich temperatur

TERMOMETRY

Termorezysty ndash to elementy elektryczne ktoacutere mierzą zmiany temperatury

poprzez pomiar związanej z nią zmiany oporu przewodnika bądź poacutełprzewodnika

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Termopary to układy dwoacutech przewodnikoacutew na stykach ktoacuterych wytwarza się

napięcie termoelektryczne proporcjonalne do roacuteżnicy temperatur obu stykoacutew

(zjawisko Seebecka)

Pirometry mierzą temperaturę poprzez pomiar (poroacutewnanie) emisji

promieniowania ciała ktoacuterego temperaturę chcemy określić z emisją ciała

doskonale czarnego ndash nadają się do pomiaru wysokich temperatur i do pomiaroacutew

bdquona odległośćrdquo

Bolometry roacutewnież bazują na fakcie że emisja promieniowania danego ciała

jest proporcjonalna do jego temperatury

Układy bimetali służą raczej jako dwustanowe przełączniki termiczne niż

termometry ale też pełnią rolę bdquomiernikoacutewrdquo temperatury

TEMPERATURA I CIEPŁO

Energia termiczna to energia wewnętrzna na ktoacuterą składa się energia

kinetyczna i potencjalna atomoacutew cząsteczek i innych ciał

mikroskopowych tworzących układ (eeehellip patrz slajd drugi)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Ciepło jest energią przekazywaną między układem z jego otoczeniem

na skutek istniejącej między nimi roacuteżnicy temperatur To raczej proces

przekazywania energii termicznej niż sama energia

Energia może być przekazywana między ciałami także w postaci pracy

(za pośrednictwem sił) Ciepło i praca nie są właściwościami układu

maja sens tylko podczas opisywania procesoacutew przekazywania energii

między ciałami

CIEPŁO

Jednostką ciepła jest więc jednostka energii czyli dżul

Początkowo używano jednak jednostek opartych na procesie ogrzewania

wody

kaloria (1 cal) to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1g wody

od 145degC do 155 degC

brytyjska jednostka cieplna (british thermal unit ndash Btu) zdefiniowana jest jako

ilość ciepła niezbędna do podniesienia temperatury 1lb (funta) wody od 63degF

do 64 degF

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Pojemność cieplna ciała wyraża ilość ciepła pobraną lub oddaną przez

to ciało przy zmianie jego temperatury

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(Uwaga na słowo bdquopojemnośćrdquo ciało można podgrzewać bez końca ndash chyba że nastąpi

zmiana fazyhellip)

T

QC

Ciepło właściwe pojemność cieplna na jednostkę masy ciała

Przykład

woda ciepło właściwe 4190 JkgK Tm

Qc

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Molowe ciepło właściwe gdy ilość substancji podajemy w molach nie w

kilogramach

1 mol = 6021023 jednostek elementarnych (cząstek atomoacutew)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

UWAGA Pojemność cieplna ciepło właściwe i molowe zależy od

warunkoacutew w ktoacuterych dzieje się przekazywanie ciepła Dla ciał stałych i

cieczy jest to w praktyce stałe ciśnienie i objętość ndash dla gazoacutew mogą to

być roacuteżne wartości w zależności od parametru ktoacutery jest ustalony (plub V)

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Podczas pochłanianiaoddawania ciepła zamiast zwiększania

temperatury może dojść do przemiany fazowej zmiany stanu skupienia

między stałym ciekłym i gazowym

- Topnienie ciało stałe rarr ciecz

- Krzepnięcie (zestalanie) ciecz ciało rarr stałe

- Parowanie ciecz rarr gaz

- Skraplanie (kondensacja) gaz rarr ciecz

- Sublimacja ciało stałe rarr gaz

- Resublimacja gaz rarr ciało stałe

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Ilość energii ktoacutera w postaci ciepła trzeba przekazać jednostkowej masie

substancji aby uległa ona przemianie fazowej jest nazywana ciepłem

przemiany (ciepło parowania ciepło topnienia itd)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(roacuteżne zwyczajowe oznaczenia)

Przykład

woda ciepło topnienia 333kJkg ciepło parowania 2256kJkg

m

Qcprzemiany

PRACA A CIEPŁO

Wymiana energii ciała z otoczeniem praca a ciepło

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

pdVpSdssdFdW

pdVdWW

Przykłady obliczania graficznego pracy

dla roacuteżnych przemian

PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI

Ilości wykonywanej pracy oraz pobieranego ciepła są roacuteżne i zależą

od rodzaju przemiany

Ale okazuje się że roacuteżnica tych dwoacutech wielkości jest jednakowa

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Pierwsza zasada termodynamiki WQdEw

(Uwaga tylko dEw jest roacuteżniczką bo energia wewnętrzna jest funkcją stanu symbol Δ

przy cieple i pracy użyto dla oznaczenia zmian tych wielkości)

Pierwsza zasada termodynamiki jest rozszerzeniem zasady zachowania

energii na układy nieizolowane energia może być przekazywana układowi

lub zabierana z układu w postaci ciepła i pracy

Energia wewnętrzna układu wzrasta jeżeli układ pobiera energię w

postaci ciepła i maleje kiedy wykonuje on pracę

PROCESY TERMODYNAMICZNE

Przypadki szczegoacutelne procesoacutew termodynamicznych

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przemiana adiabatycznaWarunek (brak wymiany ciepła z otoczeniem)

Wynik (układ wykonuje pracę kosztem energii wewnętrznej albo praca

wykonywana nad układem zwiększa jego Ew)

0QWdEw

Stała objętość (dV=0)

Warunek (nie ma zmiany objętości więc układ nie wykonuje pracy)

Wynik (układ pobiera lub oddaje ciepło i zwiększa lub zmniejsza swoją Ew)

0WQdEw

Cykl zamkniętyWarunek (energia wewnętrzna jako funkcja stanu zależy tylko od stanu

początkowego i końcowego)

Wynik (wypadkowa praca wykonana przez układ jest roacutewna pobranemu ciepłu

albo praca wykonana nad układem powoduje oddanie ciepła)

0wdE

WQ

Rozprężanie swobodneWarunek (adiabatyczne rozprężanie bez zmiany ciśnienia)

Wynik (energia wewnętrzna pozostaje niezmieniona w praktyce proces

nierealizowalny ze względu na brak roacutewnowagi termodynamicznej między stanami

przejściowymi wynikający ze zmian ciśnienia)

0 WQ

0wdE

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przewodnictwo cieplne

Zbiornik gorący TG

Zbiornik zimny TD

Q Izolator k Q L

L

TTkS

t

QP DG

przew

Substancja k [W(mK)]

Stal nierdzewna 14

Aluminium 235

Miedź 401

Srebro 428

Powietrze (suche) 0026

Szkło okienne 10

Drewno sosnowe 011

Wełna mineralna 0043

Pianka poliuretanowa 0024

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Konwekcja (unoszenie)

Kiedy płyn (woda gaz) znajduje się w kontakcie z ciałem o wyższej temperaturze

część płynu przylegająca do gorącego ciała ogrzewa się i zwiększa swą objętość co

prowadzi do spadku gęstości i w efekcie istnienia sił wyporu porusza się a w jej

miejsce napływa kolejna porcja płynu

(Przykłady płomień świecy prądy konwekcyjne wykorzystywane przez szybowce konwekcja

energii na Słońcu)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Promieniowanie cieplneWymiana ciepła z otoczeniem za pomocą fal elektromagnetycznych (głoacutewnie w

podczerwieni)

gdzie σ=5670310-8 W(m2K4) jest stałą Stefana-Boltzmanna ε jest zdolnością

emisyjną ciała (0 do 1 może zależeć od długości fali) S jest powierzchnią ciała a

T jego temperaturą

4STPprom

TERMODYNAMIKA

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Podstawowe wielkości termodynamiki fenomenologicznej

objętość ciśnienie i temperatura

Temperatura definiowana w ramach termodynamiki

klasycznej (makroskopowej) to parametr opisujący stan

roacutewnowagi termodynamicznej układu

Budowa wszystkich urządzeń do pomiaru temperatury bazuje na zerowej

zasadzie termodynamiki

jeżeli ciało 1 i ciało 2 znajdują się w roacutewnowadze termodynamicznej i ciała 2 i 3

są roacutewnież w takiej roacutewnowadze to ciała 1 i 3 są także w tej samej roacutewnowadze

termodynamicznej w ktoacuterej byłyby gdyby były w kontakcie ze sobą

SKALE TEMPERATUR

Bezwzględna skala temperatur ndash skala Kelvina ndash oparta jest na definicji

punktu bdquo0rdquo jako bdquozerardquo energii kinetycznej kiedy ustaje wszelki ruch

cząsteczek i jednostce temperatury ndash kelwinie (K) ndash roacutewnym stopniowi

Celsjusza bdquoZero bezwzględnerdquo to ok ndash273 stopnie w bardziej znanej na co

dzień skali Celsjusza

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Skala Celsjusza została stworzona na bazie dwoacutech punktoacutew charakterystycznych

dla wody temperaturze zamarzania (przyjętej za bdquo0rdquo) i temperaturze wrzenia (jako

bdquo100rdquo) Jednostką jest więc 1100 tego przedziału zwana stopniem Celsjusza (C)

W krajach anglosaskich powszechnie używana jest skala Fahrenheita (oparta na

idei Roslashmera)ndash jeden stopień tej skali (F) roacutewna się 59 stopnia Celsjusza

Inne spotykane skale temperatur ndash Roslashmera Reaumura Rankinersquoa ndash mają już

dziś tylko znaczenie historyczne

SKALE TEMPERATUR

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Celsius in Fahrenheit Celsius 18 + 32

Celsius in Kelvin Celsius + 27315

Celsius in Rankine Celsius 18 + 49167

Celsius in Reaumur Celsius 08

Fahrenheit in Celsius ( Fahrenheit - 32 ) (59)

Fahrenheit in Kelvin ( Fahrenheit - 32 ) (59) + 27315

Fahrenheit in Rankine Fahrenheit + 45967

Fahrenheit in Reaumur ( Fahrenheit - 32 ) (49)

Kelvin in Celsius Kelvin - 27315

Kelvin in Fahrenheit ( Kelvin - 27315 ) 18 + 32

Kelvin in Rankine Kelvin 18

Kelvin in Reaumur ( Kelvin - 27315 ) 08

Rankine in Celsius ( Rankine (59) ) - 27315

Rankine in Fahrenheit Rankine - 45967

Rankine in Kelvin Rankine ( 59)

Rankine in Reaumur ( Rankine (49) ) - 21852

Reaumur in Celsius Reaumur 125

Reaumur in Fahrenheit Reaumur 225 + 32

Reaumur in Kelvin Reaumur 125 + 27315

Reaumur in Rankine Reaumur 225 + 49167

TERMOMETRY

Budowa termometroacutew oparta jest na jej definicji makroskopowej

wiążącej inne mierzalne parametry gazu doskonałego ndash ciśnienie i

objętość ndash z szukaną temperaturą bądź na pomiarze innych wielkości

fizycznych ktoacuterych wartość zależy od temperatury

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Termometry bdquoobjętościowerdquo związane są ze zmianą wymiaroacutew ciała ze

zmianą temperatury (rozszerzalność liniowa)Najprostszym przykładem jest termometr rtęciowy Dokładniejszym przyrządem

tego typu jest termometry gazowy stałego ciśnienia Pomiar temperatury polega

na pomiarze objętości (wymiaru liniowego) rozszerzającego się ośrodka

Termometry gazowe stałej objętości bazują na pomiarze zmian ciśnienia

ze zmianą temperaturySłużą do pomiaroacutew niskich temperatur

TERMOMETRY

Termorezysty ndash to elementy elektryczne ktoacutere mierzą zmiany temperatury

poprzez pomiar związanej z nią zmiany oporu przewodnika bądź poacutełprzewodnika

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Termopary to układy dwoacutech przewodnikoacutew na stykach ktoacuterych wytwarza się

napięcie termoelektryczne proporcjonalne do roacuteżnicy temperatur obu stykoacutew

(zjawisko Seebecka)

Pirometry mierzą temperaturę poprzez pomiar (poroacutewnanie) emisji

promieniowania ciała ktoacuterego temperaturę chcemy określić z emisją ciała

doskonale czarnego ndash nadają się do pomiaru wysokich temperatur i do pomiaroacutew

bdquona odległośćrdquo

Bolometry roacutewnież bazują na fakcie że emisja promieniowania danego ciała

jest proporcjonalna do jego temperatury

Układy bimetali służą raczej jako dwustanowe przełączniki termiczne niż

termometry ale też pełnią rolę bdquomiernikoacutewrdquo temperatury

TEMPERATURA I CIEPŁO

Energia termiczna to energia wewnętrzna na ktoacuterą składa się energia

kinetyczna i potencjalna atomoacutew cząsteczek i innych ciał

mikroskopowych tworzących układ (eeehellip patrz slajd drugi)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Ciepło jest energią przekazywaną między układem z jego otoczeniem

na skutek istniejącej między nimi roacuteżnicy temperatur To raczej proces

przekazywania energii termicznej niż sama energia

Energia może być przekazywana między ciałami także w postaci pracy

(za pośrednictwem sił) Ciepło i praca nie są właściwościami układu

maja sens tylko podczas opisywania procesoacutew przekazywania energii

między ciałami

CIEPŁO

Jednostką ciepła jest więc jednostka energii czyli dżul

Początkowo używano jednak jednostek opartych na procesie ogrzewania

wody

kaloria (1 cal) to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1g wody

od 145degC do 155 degC

brytyjska jednostka cieplna (british thermal unit ndash Btu) zdefiniowana jest jako

ilość ciepła niezbędna do podniesienia temperatury 1lb (funta) wody od 63degF

do 64 degF

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Pojemność cieplna ciała wyraża ilość ciepła pobraną lub oddaną przez

to ciało przy zmianie jego temperatury

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(Uwaga na słowo bdquopojemnośćrdquo ciało można podgrzewać bez końca ndash chyba że nastąpi

zmiana fazyhellip)

T

QC

Ciepło właściwe pojemność cieplna na jednostkę masy ciała

Przykład

woda ciepło właściwe 4190 JkgK Tm

Qc

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Molowe ciepło właściwe gdy ilość substancji podajemy w molach nie w

kilogramach

1 mol = 6021023 jednostek elementarnych (cząstek atomoacutew)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

UWAGA Pojemność cieplna ciepło właściwe i molowe zależy od

warunkoacutew w ktoacuterych dzieje się przekazywanie ciepła Dla ciał stałych i

cieczy jest to w praktyce stałe ciśnienie i objętość ndash dla gazoacutew mogą to

być roacuteżne wartości w zależności od parametru ktoacutery jest ustalony (plub V)

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Podczas pochłanianiaoddawania ciepła zamiast zwiększania

temperatury może dojść do przemiany fazowej zmiany stanu skupienia

między stałym ciekłym i gazowym

- Topnienie ciało stałe rarr ciecz

- Krzepnięcie (zestalanie) ciecz ciało rarr stałe

- Parowanie ciecz rarr gaz

- Skraplanie (kondensacja) gaz rarr ciecz

- Sublimacja ciało stałe rarr gaz

- Resublimacja gaz rarr ciało stałe

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Ilość energii ktoacutera w postaci ciepła trzeba przekazać jednostkowej masie

substancji aby uległa ona przemianie fazowej jest nazywana ciepłem

przemiany (ciepło parowania ciepło topnienia itd)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(roacuteżne zwyczajowe oznaczenia)

Przykład

woda ciepło topnienia 333kJkg ciepło parowania 2256kJkg

m

Qcprzemiany

PRACA A CIEPŁO

Wymiana energii ciała z otoczeniem praca a ciepło

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

pdVpSdssdFdW

pdVdWW

Przykłady obliczania graficznego pracy

dla roacuteżnych przemian

PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI

Ilości wykonywanej pracy oraz pobieranego ciepła są roacuteżne i zależą

od rodzaju przemiany

Ale okazuje się że roacuteżnica tych dwoacutech wielkości jest jednakowa

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Pierwsza zasada termodynamiki WQdEw

(Uwaga tylko dEw jest roacuteżniczką bo energia wewnętrzna jest funkcją stanu symbol Δ

przy cieple i pracy użyto dla oznaczenia zmian tych wielkości)

Pierwsza zasada termodynamiki jest rozszerzeniem zasady zachowania

energii na układy nieizolowane energia może być przekazywana układowi

lub zabierana z układu w postaci ciepła i pracy

Energia wewnętrzna układu wzrasta jeżeli układ pobiera energię w

postaci ciepła i maleje kiedy wykonuje on pracę

PROCESY TERMODYNAMICZNE

Przypadki szczegoacutelne procesoacutew termodynamicznych

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przemiana adiabatycznaWarunek (brak wymiany ciepła z otoczeniem)

Wynik (układ wykonuje pracę kosztem energii wewnętrznej albo praca

wykonywana nad układem zwiększa jego Ew)

0QWdEw

Stała objętość (dV=0)

Warunek (nie ma zmiany objętości więc układ nie wykonuje pracy)

Wynik (układ pobiera lub oddaje ciepło i zwiększa lub zmniejsza swoją Ew)

0WQdEw

Cykl zamkniętyWarunek (energia wewnętrzna jako funkcja stanu zależy tylko od stanu

początkowego i końcowego)

Wynik (wypadkowa praca wykonana przez układ jest roacutewna pobranemu ciepłu

albo praca wykonana nad układem powoduje oddanie ciepła)

0wdE

WQ

Rozprężanie swobodneWarunek (adiabatyczne rozprężanie bez zmiany ciśnienia)

Wynik (energia wewnętrzna pozostaje niezmieniona w praktyce proces

nierealizowalny ze względu na brak roacutewnowagi termodynamicznej między stanami

przejściowymi wynikający ze zmian ciśnienia)

0 WQ

0wdE

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przewodnictwo cieplne

Zbiornik gorący TG

Zbiornik zimny TD

Q Izolator k Q L

L

TTkS

t

QP DG

przew

Substancja k [W(mK)]

Stal nierdzewna 14

Aluminium 235

Miedź 401

Srebro 428

Powietrze (suche) 0026

Szkło okienne 10

Drewno sosnowe 011

Wełna mineralna 0043

Pianka poliuretanowa 0024

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Konwekcja (unoszenie)

Kiedy płyn (woda gaz) znajduje się w kontakcie z ciałem o wyższej temperaturze

część płynu przylegająca do gorącego ciała ogrzewa się i zwiększa swą objętość co

prowadzi do spadku gęstości i w efekcie istnienia sił wyporu porusza się a w jej

miejsce napływa kolejna porcja płynu

(Przykłady płomień świecy prądy konwekcyjne wykorzystywane przez szybowce konwekcja

energii na Słońcu)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Promieniowanie cieplneWymiana ciepła z otoczeniem za pomocą fal elektromagnetycznych (głoacutewnie w

podczerwieni)

gdzie σ=5670310-8 W(m2K4) jest stałą Stefana-Boltzmanna ε jest zdolnością

emisyjną ciała (0 do 1 może zależeć od długości fali) S jest powierzchnią ciała a

T jego temperaturą

4STPprom

SKALE TEMPERATUR

Bezwzględna skala temperatur ndash skala Kelvina ndash oparta jest na definicji

punktu bdquo0rdquo jako bdquozerardquo energii kinetycznej kiedy ustaje wszelki ruch

cząsteczek i jednostce temperatury ndash kelwinie (K) ndash roacutewnym stopniowi

Celsjusza bdquoZero bezwzględnerdquo to ok ndash273 stopnie w bardziej znanej na co

dzień skali Celsjusza

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Skala Celsjusza została stworzona na bazie dwoacutech punktoacutew charakterystycznych

dla wody temperaturze zamarzania (przyjętej za bdquo0rdquo) i temperaturze wrzenia (jako

bdquo100rdquo) Jednostką jest więc 1100 tego przedziału zwana stopniem Celsjusza (C)

W krajach anglosaskich powszechnie używana jest skala Fahrenheita (oparta na

idei Roslashmera)ndash jeden stopień tej skali (F) roacutewna się 59 stopnia Celsjusza

Inne spotykane skale temperatur ndash Roslashmera Reaumura Rankinersquoa ndash mają już

dziś tylko znaczenie historyczne

SKALE TEMPERATUR

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Celsius in Fahrenheit Celsius 18 + 32

Celsius in Kelvin Celsius + 27315

Celsius in Rankine Celsius 18 + 49167

Celsius in Reaumur Celsius 08

Fahrenheit in Celsius ( Fahrenheit - 32 ) (59)

Fahrenheit in Kelvin ( Fahrenheit - 32 ) (59) + 27315

Fahrenheit in Rankine Fahrenheit + 45967

Fahrenheit in Reaumur ( Fahrenheit - 32 ) (49)

Kelvin in Celsius Kelvin - 27315

Kelvin in Fahrenheit ( Kelvin - 27315 ) 18 + 32

Kelvin in Rankine Kelvin 18

Kelvin in Reaumur ( Kelvin - 27315 ) 08

Rankine in Celsius ( Rankine (59) ) - 27315

Rankine in Fahrenheit Rankine - 45967

Rankine in Kelvin Rankine ( 59)

Rankine in Reaumur ( Rankine (49) ) - 21852

Reaumur in Celsius Reaumur 125

Reaumur in Fahrenheit Reaumur 225 + 32

Reaumur in Kelvin Reaumur 125 + 27315

Reaumur in Rankine Reaumur 225 + 49167

TERMOMETRY

Budowa termometroacutew oparta jest na jej definicji makroskopowej

wiążącej inne mierzalne parametry gazu doskonałego ndash ciśnienie i

objętość ndash z szukaną temperaturą bądź na pomiarze innych wielkości

fizycznych ktoacuterych wartość zależy od temperatury

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Termometry bdquoobjętościowerdquo związane są ze zmianą wymiaroacutew ciała ze

zmianą temperatury (rozszerzalność liniowa)Najprostszym przykładem jest termometr rtęciowy Dokładniejszym przyrządem

tego typu jest termometry gazowy stałego ciśnienia Pomiar temperatury polega

na pomiarze objętości (wymiaru liniowego) rozszerzającego się ośrodka

Termometry gazowe stałej objętości bazują na pomiarze zmian ciśnienia

ze zmianą temperaturySłużą do pomiaroacutew niskich temperatur

TERMOMETRY

Termorezysty ndash to elementy elektryczne ktoacutere mierzą zmiany temperatury

poprzez pomiar związanej z nią zmiany oporu przewodnika bądź poacutełprzewodnika

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Termopary to układy dwoacutech przewodnikoacutew na stykach ktoacuterych wytwarza się

napięcie termoelektryczne proporcjonalne do roacuteżnicy temperatur obu stykoacutew

(zjawisko Seebecka)

Pirometry mierzą temperaturę poprzez pomiar (poroacutewnanie) emisji

promieniowania ciała ktoacuterego temperaturę chcemy określić z emisją ciała

doskonale czarnego ndash nadają się do pomiaru wysokich temperatur i do pomiaroacutew

bdquona odległośćrdquo

Bolometry roacutewnież bazują na fakcie że emisja promieniowania danego ciała

jest proporcjonalna do jego temperatury

Układy bimetali służą raczej jako dwustanowe przełączniki termiczne niż

termometry ale też pełnią rolę bdquomiernikoacutewrdquo temperatury

TEMPERATURA I CIEPŁO

Energia termiczna to energia wewnętrzna na ktoacuterą składa się energia

kinetyczna i potencjalna atomoacutew cząsteczek i innych ciał

mikroskopowych tworzących układ (eeehellip patrz slajd drugi)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Ciepło jest energią przekazywaną między układem z jego otoczeniem

na skutek istniejącej między nimi roacuteżnicy temperatur To raczej proces

przekazywania energii termicznej niż sama energia

Energia może być przekazywana między ciałami także w postaci pracy

(za pośrednictwem sił) Ciepło i praca nie są właściwościami układu

maja sens tylko podczas opisywania procesoacutew przekazywania energii

między ciałami

CIEPŁO

Jednostką ciepła jest więc jednostka energii czyli dżul

Początkowo używano jednak jednostek opartych na procesie ogrzewania

wody

kaloria (1 cal) to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1g wody

od 145degC do 155 degC

brytyjska jednostka cieplna (british thermal unit ndash Btu) zdefiniowana jest jako

ilość ciepła niezbędna do podniesienia temperatury 1lb (funta) wody od 63degF

do 64 degF

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Pojemność cieplna ciała wyraża ilość ciepła pobraną lub oddaną przez

to ciało przy zmianie jego temperatury

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(Uwaga na słowo bdquopojemnośćrdquo ciało można podgrzewać bez końca ndash chyba że nastąpi

zmiana fazyhellip)

T

QC

Ciepło właściwe pojemność cieplna na jednostkę masy ciała

Przykład

woda ciepło właściwe 4190 JkgK Tm

Qc

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Molowe ciepło właściwe gdy ilość substancji podajemy w molach nie w

kilogramach

1 mol = 6021023 jednostek elementarnych (cząstek atomoacutew)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

UWAGA Pojemność cieplna ciepło właściwe i molowe zależy od

warunkoacutew w ktoacuterych dzieje się przekazywanie ciepła Dla ciał stałych i

cieczy jest to w praktyce stałe ciśnienie i objętość ndash dla gazoacutew mogą to

być roacuteżne wartości w zależności od parametru ktoacutery jest ustalony (plub V)

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Podczas pochłanianiaoddawania ciepła zamiast zwiększania

temperatury może dojść do przemiany fazowej zmiany stanu skupienia

między stałym ciekłym i gazowym

- Topnienie ciało stałe rarr ciecz

- Krzepnięcie (zestalanie) ciecz ciało rarr stałe

- Parowanie ciecz rarr gaz

- Skraplanie (kondensacja) gaz rarr ciecz

- Sublimacja ciało stałe rarr gaz

- Resublimacja gaz rarr ciało stałe

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Ilość energii ktoacutera w postaci ciepła trzeba przekazać jednostkowej masie

substancji aby uległa ona przemianie fazowej jest nazywana ciepłem

przemiany (ciepło parowania ciepło topnienia itd)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(roacuteżne zwyczajowe oznaczenia)

Przykład

woda ciepło topnienia 333kJkg ciepło parowania 2256kJkg

m

Qcprzemiany

PRACA A CIEPŁO

Wymiana energii ciała z otoczeniem praca a ciepło

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

pdVpSdssdFdW

pdVdWW

Przykłady obliczania graficznego pracy

dla roacuteżnych przemian

PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI

Ilości wykonywanej pracy oraz pobieranego ciepła są roacuteżne i zależą

od rodzaju przemiany

Ale okazuje się że roacuteżnica tych dwoacutech wielkości jest jednakowa

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Pierwsza zasada termodynamiki WQdEw

(Uwaga tylko dEw jest roacuteżniczką bo energia wewnętrzna jest funkcją stanu symbol Δ

przy cieple i pracy użyto dla oznaczenia zmian tych wielkości)

Pierwsza zasada termodynamiki jest rozszerzeniem zasady zachowania

energii na układy nieizolowane energia może być przekazywana układowi

lub zabierana z układu w postaci ciepła i pracy

Energia wewnętrzna układu wzrasta jeżeli układ pobiera energię w

postaci ciepła i maleje kiedy wykonuje on pracę

PROCESY TERMODYNAMICZNE

Przypadki szczegoacutelne procesoacutew termodynamicznych

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przemiana adiabatycznaWarunek (brak wymiany ciepła z otoczeniem)

Wynik (układ wykonuje pracę kosztem energii wewnętrznej albo praca

wykonywana nad układem zwiększa jego Ew)

0QWdEw

Stała objętość (dV=0)

Warunek (nie ma zmiany objętości więc układ nie wykonuje pracy)

Wynik (układ pobiera lub oddaje ciepło i zwiększa lub zmniejsza swoją Ew)

0WQdEw

Cykl zamkniętyWarunek (energia wewnętrzna jako funkcja stanu zależy tylko od stanu

początkowego i końcowego)

Wynik (wypadkowa praca wykonana przez układ jest roacutewna pobranemu ciepłu

albo praca wykonana nad układem powoduje oddanie ciepła)

0wdE

WQ

Rozprężanie swobodneWarunek (adiabatyczne rozprężanie bez zmiany ciśnienia)

Wynik (energia wewnętrzna pozostaje niezmieniona w praktyce proces

nierealizowalny ze względu na brak roacutewnowagi termodynamicznej między stanami

przejściowymi wynikający ze zmian ciśnienia)

0 WQ

0wdE

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przewodnictwo cieplne

Zbiornik gorący TG

Zbiornik zimny TD

Q Izolator k Q L

L

TTkS

t

QP DG

przew

Substancja k [W(mK)]

Stal nierdzewna 14

Aluminium 235

Miedź 401

Srebro 428

Powietrze (suche) 0026

Szkło okienne 10

Drewno sosnowe 011

Wełna mineralna 0043

Pianka poliuretanowa 0024

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Konwekcja (unoszenie)

Kiedy płyn (woda gaz) znajduje się w kontakcie z ciałem o wyższej temperaturze

część płynu przylegająca do gorącego ciała ogrzewa się i zwiększa swą objętość co

prowadzi do spadku gęstości i w efekcie istnienia sił wyporu porusza się a w jej

miejsce napływa kolejna porcja płynu

(Przykłady płomień świecy prądy konwekcyjne wykorzystywane przez szybowce konwekcja

energii na Słońcu)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Promieniowanie cieplneWymiana ciepła z otoczeniem za pomocą fal elektromagnetycznych (głoacutewnie w

podczerwieni)

gdzie σ=5670310-8 W(m2K4) jest stałą Stefana-Boltzmanna ε jest zdolnością

emisyjną ciała (0 do 1 może zależeć od długości fali) S jest powierzchnią ciała a

T jego temperaturą

4STPprom

SKALE TEMPERATUR

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Celsius in Fahrenheit Celsius 18 + 32

Celsius in Kelvin Celsius + 27315

Celsius in Rankine Celsius 18 + 49167

Celsius in Reaumur Celsius 08

Fahrenheit in Celsius ( Fahrenheit - 32 ) (59)

Fahrenheit in Kelvin ( Fahrenheit - 32 ) (59) + 27315

Fahrenheit in Rankine Fahrenheit + 45967

Fahrenheit in Reaumur ( Fahrenheit - 32 ) (49)

Kelvin in Celsius Kelvin - 27315

Kelvin in Fahrenheit ( Kelvin - 27315 ) 18 + 32

Kelvin in Rankine Kelvin 18

Kelvin in Reaumur ( Kelvin - 27315 ) 08

Rankine in Celsius ( Rankine (59) ) - 27315

Rankine in Fahrenheit Rankine - 45967

Rankine in Kelvin Rankine ( 59)

Rankine in Reaumur ( Rankine (49) ) - 21852

Reaumur in Celsius Reaumur 125

Reaumur in Fahrenheit Reaumur 225 + 32

Reaumur in Kelvin Reaumur 125 + 27315

Reaumur in Rankine Reaumur 225 + 49167

TERMOMETRY

Budowa termometroacutew oparta jest na jej definicji makroskopowej

wiążącej inne mierzalne parametry gazu doskonałego ndash ciśnienie i

objętość ndash z szukaną temperaturą bądź na pomiarze innych wielkości

fizycznych ktoacuterych wartość zależy od temperatury

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Termometry bdquoobjętościowerdquo związane są ze zmianą wymiaroacutew ciała ze

zmianą temperatury (rozszerzalność liniowa)Najprostszym przykładem jest termometr rtęciowy Dokładniejszym przyrządem

tego typu jest termometry gazowy stałego ciśnienia Pomiar temperatury polega

na pomiarze objętości (wymiaru liniowego) rozszerzającego się ośrodka

Termometry gazowe stałej objętości bazują na pomiarze zmian ciśnienia

ze zmianą temperaturySłużą do pomiaroacutew niskich temperatur

TERMOMETRY

Termorezysty ndash to elementy elektryczne ktoacutere mierzą zmiany temperatury

poprzez pomiar związanej z nią zmiany oporu przewodnika bądź poacutełprzewodnika

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Termopary to układy dwoacutech przewodnikoacutew na stykach ktoacuterych wytwarza się

napięcie termoelektryczne proporcjonalne do roacuteżnicy temperatur obu stykoacutew

(zjawisko Seebecka)

Pirometry mierzą temperaturę poprzez pomiar (poroacutewnanie) emisji

promieniowania ciała ktoacuterego temperaturę chcemy określić z emisją ciała

doskonale czarnego ndash nadają się do pomiaru wysokich temperatur i do pomiaroacutew

bdquona odległośćrdquo

Bolometry roacutewnież bazują na fakcie że emisja promieniowania danego ciała

jest proporcjonalna do jego temperatury

Układy bimetali służą raczej jako dwustanowe przełączniki termiczne niż

termometry ale też pełnią rolę bdquomiernikoacutewrdquo temperatury

TEMPERATURA I CIEPŁO

Energia termiczna to energia wewnętrzna na ktoacuterą składa się energia

kinetyczna i potencjalna atomoacutew cząsteczek i innych ciał

mikroskopowych tworzących układ (eeehellip patrz slajd drugi)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Ciepło jest energią przekazywaną między układem z jego otoczeniem

na skutek istniejącej między nimi roacuteżnicy temperatur To raczej proces

przekazywania energii termicznej niż sama energia

Energia może być przekazywana między ciałami także w postaci pracy

(za pośrednictwem sił) Ciepło i praca nie są właściwościami układu

maja sens tylko podczas opisywania procesoacutew przekazywania energii

między ciałami

CIEPŁO

Jednostką ciepła jest więc jednostka energii czyli dżul

Początkowo używano jednak jednostek opartych na procesie ogrzewania

wody

kaloria (1 cal) to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1g wody

od 145degC do 155 degC

brytyjska jednostka cieplna (british thermal unit ndash Btu) zdefiniowana jest jako

ilość ciepła niezbędna do podniesienia temperatury 1lb (funta) wody od 63degF

do 64 degF

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Pojemność cieplna ciała wyraża ilość ciepła pobraną lub oddaną przez

to ciało przy zmianie jego temperatury

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(Uwaga na słowo bdquopojemnośćrdquo ciało można podgrzewać bez końca ndash chyba że nastąpi

zmiana fazyhellip)

T

QC

Ciepło właściwe pojemność cieplna na jednostkę masy ciała

Przykład

woda ciepło właściwe 4190 JkgK Tm

Qc

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Molowe ciepło właściwe gdy ilość substancji podajemy w molach nie w

kilogramach

1 mol = 6021023 jednostek elementarnych (cząstek atomoacutew)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

UWAGA Pojemność cieplna ciepło właściwe i molowe zależy od

warunkoacutew w ktoacuterych dzieje się przekazywanie ciepła Dla ciał stałych i

cieczy jest to w praktyce stałe ciśnienie i objętość ndash dla gazoacutew mogą to

być roacuteżne wartości w zależności od parametru ktoacutery jest ustalony (plub V)

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Podczas pochłanianiaoddawania ciepła zamiast zwiększania

temperatury może dojść do przemiany fazowej zmiany stanu skupienia

między stałym ciekłym i gazowym

- Topnienie ciało stałe rarr ciecz

- Krzepnięcie (zestalanie) ciecz ciało rarr stałe

- Parowanie ciecz rarr gaz

- Skraplanie (kondensacja) gaz rarr ciecz

- Sublimacja ciało stałe rarr gaz

- Resublimacja gaz rarr ciało stałe

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Ilość energii ktoacutera w postaci ciepła trzeba przekazać jednostkowej masie

substancji aby uległa ona przemianie fazowej jest nazywana ciepłem

przemiany (ciepło parowania ciepło topnienia itd)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(roacuteżne zwyczajowe oznaczenia)

Przykład

woda ciepło topnienia 333kJkg ciepło parowania 2256kJkg

m

Qcprzemiany

PRACA A CIEPŁO

Wymiana energii ciała z otoczeniem praca a ciepło

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

pdVpSdssdFdW

pdVdWW

Przykłady obliczania graficznego pracy

dla roacuteżnych przemian

PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI

Ilości wykonywanej pracy oraz pobieranego ciepła są roacuteżne i zależą

od rodzaju przemiany

Ale okazuje się że roacuteżnica tych dwoacutech wielkości jest jednakowa

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Pierwsza zasada termodynamiki WQdEw

(Uwaga tylko dEw jest roacuteżniczką bo energia wewnętrzna jest funkcją stanu symbol Δ

przy cieple i pracy użyto dla oznaczenia zmian tych wielkości)

Pierwsza zasada termodynamiki jest rozszerzeniem zasady zachowania

energii na układy nieizolowane energia może być przekazywana układowi

lub zabierana z układu w postaci ciepła i pracy

Energia wewnętrzna układu wzrasta jeżeli układ pobiera energię w

postaci ciepła i maleje kiedy wykonuje on pracę

PROCESY TERMODYNAMICZNE

Przypadki szczegoacutelne procesoacutew termodynamicznych

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przemiana adiabatycznaWarunek (brak wymiany ciepła z otoczeniem)

Wynik (układ wykonuje pracę kosztem energii wewnętrznej albo praca

wykonywana nad układem zwiększa jego Ew)

0QWdEw

Stała objętość (dV=0)

Warunek (nie ma zmiany objętości więc układ nie wykonuje pracy)

Wynik (układ pobiera lub oddaje ciepło i zwiększa lub zmniejsza swoją Ew)

0WQdEw

Cykl zamkniętyWarunek (energia wewnętrzna jako funkcja stanu zależy tylko od stanu

początkowego i końcowego)

Wynik (wypadkowa praca wykonana przez układ jest roacutewna pobranemu ciepłu

albo praca wykonana nad układem powoduje oddanie ciepła)

0wdE

WQ

Rozprężanie swobodneWarunek (adiabatyczne rozprężanie bez zmiany ciśnienia)

Wynik (energia wewnętrzna pozostaje niezmieniona w praktyce proces

nierealizowalny ze względu na brak roacutewnowagi termodynamicznej między stanami

przejściowymi wynikający ze zmian ciśnienia)

0 WQ

0wdE

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przewodnictwo cieplne

Zbiornik gorący TG

Zbiornik zimny TD

Q Izolator k Q L

L

TTkS

t

QP DG

przew

Substancja k [W(mK)]

Stal nierdzewna 14

Aluminium 235

Miedź 401

Srebro 428

Powietrze (suche) 0026

Szkło okienne 10

Drewno sosnowe 011

Wełna mineralna 0043

Pianka poliuretanowa 0024

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Konwekcja (unoszenie)

Kiedy płyn (woda gaz) znajduje się w kontakcie z ciałem o wyższej temperaturze

część płynu przylegająca do gorącego ciała ogrzewa się i zwiększa swą objętość co

prowadzi do spadku gęstości i w efekcie istnienia sił wyporu porusza się a w jej

miejsce napływa kolejna porcja płynu

(Przykłady płomień świecy prądy konwekcyjne wykorzystywane przez szybowce konwekcja

energii na Słońcu)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Promieniowanie cieplneWymiana ciepła z otoczeniem za pomocą fal elektromagnetycznych (głoacutewnie w

podczerwieni)

gdzie σ=5670310-8 W(m2K4) jest stałą Stefana-Boltzmanna ε jest zdolnością

emisyjną ciała (0 do 1 może zależeć od długości fali) S jest powierzchnią ciała a

T jego temperaturą

4STPprom

TERMOMETRY

Budowa termometroacutew oparta jest na jej definicji makroskopowej

wiążącej inne mierzalne parametry gazu doskonałego ndash ciśnienie i

objętość ndash z szukaną temperaturą bądź na pomiarze innych wielkości

fizycznych ktoacuterych wartość zależy od temperatury

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Termometry bdquoobjętościowerdquo związane są ze zmianą wymiaroacutew ciała ze

zmianą temperatury (rozszerzalność liniowa)Najprostszym przykładem jest termometr rtęciowy Dokładniejszym przyrządem

tego typu jest termometry gazowy stałego ciśnienia Pomiar temperatury polega

na pomiarze objętości (wymiaru liniowego) rozszerzającego się ośrodka

Termometry gazowe stałej objętości bazują na pomiarze zmian ciśnienia

ze zmianą temperaturySłużą do pomiaroacutew niskich temperatur

TERMOMETRY

Termorezysty ndash to elementy elektryczne ktoacutere mierzą zmiany temperatury

poprzez pomiar związanej z nią zmiany oporu przewodnika bądź poacutełprzewodnika

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Termopary to układy dwoacutech przewodnikoacutew na stykach ktoacuterych wytwarza się

napięcie termoelektryczne proporcjonalne do roacuteżnicy temperatur obu stykoacutew

(zjawisko Seebecka)

Pirometry mierzą temperaturę poprzez pomiar (poroacutewnanie) emisji

promieniowania ciała ktoacuterego temperaturę chcemy określić z emisją ciała

doskonale czarnego ndash nadają się do pomiaru wysokich temperatur i do pomiaroacutew

bdquona odległośćrdquo

Bolometry roacutewnież bazują na fakcie że emisja promieniowania danego ciała

jest proporcjonalna do jego temperatury

Układy bimetali służą raczej jako dwustanowe przełączniki termiczne niż

termometry ale też pełnią rolę bdquomiernikoacutewrdquo temperatury

TEMPERATURA I CIEPŁO

Energia termiczna to energia wewnętrzna na ktoacuterą składa się energia

kinetyczna i potencjalna atomoacutew cząsteczek i innych ciał

mikroskopowych tworzących układ (eeehellip patrz slajd drugi)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Ciepło jest energią przekazywaną między układem z jego otoczeniem

na skutek istniejącej między nimi roacuteżnicy temperatur To raczej proces

przekazywania energii termicznej niż sama energia

Energia może być przekazywana między ciałami także w postaci pracy

(za pośrednictwem sił) Ciepło i praca nie są właściwościami układu

maja sens tylko podczas opisywania procesoacutew przekazywania energii

między ciałami

CIEPŁO

Jednostką ciepła jest więc jednostka energii czyli dżul

Początkowo używano jednak jednostek opartych na procesie ogrzewania

wody

kaloria (1 cal) to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1g wody

od 145degC do 155 degC

brytyjska jednostka cieplna (british thermal unit ndash Btu) zdefiniowana jest jako

ilość ciepła niezbędna do podniesienia temperatury 1lb (funta) wody od 63degF

do 64 degF

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Pojemność cieplna ciała wyraża ilość ciepła pobraną lub oddaną przez

to ciało przy zmianie jego temperatury

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(Uwaga na słowo bdquopojemnośćrdquo ciało można podgrzewać bez końca ndash chyba że nastąpi

zmiana fazyhellip)

T

QC

Ciepło właściwe pojemność cieplna na jednostkę masy ciała

Przykład

woda ciepło właściwe 4190 JkgK Tm

Qc

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Molowe ciepło właściwe gdy ilość substancji podajemy w molach nie w

kilogramach

1 mol = 6021023 jednostek elementarnych (cząstek atomoacutew)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

UWAGA Pojemność cieplna ciepło właściwe i molowe zależy od

warunkoacutew w ktoacuterych dzieje się przekazywanie ciepła Dla ciał stałych i

cieczy jest to w praktyce stałe ciśnienie i objętość ndash dla gazoacutew mogą to

być roacuteżne wartości w zależności od parametru ktoacutery jest ustalony (plub V)

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Podczas pochłanianiaoddawania ciepła zamiast zwiększania

temperatury może dojść do przemiany fazowej zmiany stanu skupienia

między stałym ciekłym i gazowym

- Topnienie ciało stałe rarr ciecz

- Krzepnięcie (zestalanie) ciecz ciało rarr stałe

- Parowanie ciecz rarr gaz

- Skraplanie (kondensacja) gaz rarr ciecz

- Sublimacja ciało stałe rarr gaz

- Resublimacja gaz rarr ciało stałe

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Ilość energii ktoacutera w postaci ciepła trzeba przekazać jednostkowej masie

substancji aby uległa ona przemianie fazowej jest nazywana ciepłem

przemiany (ciepło parowania ciepło topnienia itd)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(roacuteżne zwyczajowe oznaczenia)

Przykład

woda ciepło topnienia 333kJkg ciepło parowania 2256kJkg

m

Qcprzemiany

PRACA A CIEPŁO

Wymiana energii ciała z otoczeniem praca a ciepło

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

pdVpSdssdFdW

pdVdWW

Przykłady obliczania graficznego pracy

dla roacuteżnych przemian

PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI

Ilości wykonywanej pracy oraz pobieranego ciepła są roacuteżne i zależą

od rodzaju przemiany

Ale okazuje się że roacuteżnica tych dwoacutech wielkości jest jednakowa

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Pierwsza zasada termodynamiki WQdEw

(Uwaga tylko dEw jest roacuteżniczką bo energia wewnętrzna jest funkcją stanu symbol Δ

przy cieple i pracy użyto dla oznaczenia zmian tych wielkości)

Pierwsza zasada termodynamiki jest rozszerzeniem zasady zachowania

energii na układy nieizolowane energia może być przekazywana układowi

lub zabierana z układu w postaci ciepła i pracy

Energia wewnętrzna układu wzrasta jeżeli układ pobiera energię w

postaci ciepła i maleje kiedy wykonuje on pracę

PROCESY TERMODYNAMICZNE

Przypadki szczegoacutelne procesoacutew termodynamicznych

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przemiana adiabatycznaWarunek (brak wymiany ciepła z otoczeniem)

Wynik (układ wykonuje pracę kosztem energii wewnętrznej albo praca

wykonywana nad układem zwiększa jego Ew)

0QWdEw

Stała objętość (dV=0)

Warunek (nie ma zmiany objętości więc układ nie wykonuje pracy)

Wynik (układ pobiera lub oddaje ciepło i zwiększa lub zmniejsza swoją Ew)

0WQdEw

Cykl zamkniętyWarunek (energia wewnętrzna jako funkcja stanu zależy tylko od stanu

początkowego i końcowego)

Wynik (wypadkowa praca wykonana przez układ jest roacutewna pobranemu ciepłu

albo praca wykonana nad układem powoduje oddanie ciepła)

0wdE

WQ

Rozprężanie swobodneWarunek (adiabatyczne rozprężanie bez zmiany ciśnienia)

Wynik (energia wewnętrzna pozostaje niezmieniona w praktyce proces

nierealizowalny ze względu na brak roacutewnowagi termodynamicznej między stanami

przejściowymi wynikający ze zmian ciśnienia)

0 WQ

0wdE

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przewodnictwo cieplne

Zbiornik gorący TG

Zbiornik zimny TD

Q Izolator k Q L

L

TTkS

t

QP DG

przew

Substancja k [W(mK)]

Stal nierdzewna 14

Aluminium 235

Miedź 401

Srebro 428

Powietrze (suche) 0026

Szkło okienne 10

Drewno sosnowe 011

Wełna mineralna 0043

Pianka poliuretanowa 0024

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Konwekcja (unoszenie)

Kiedy płyn (woda gaz) znajduje się w kontakcie z ciałem o wyższej temperaturze

część płynu przylegająca do gorącego ciała ogrzewa się i zwiększa swą objętość co

prowadzi do spadku gęstości i w efekcie istnienia sił wyporu porusza się a w jej

miejsce napływa kolejna porcja płynu

(Przykłady płomień świecy prądy konwekcyjne wykorzystywane przez szybowce konwekcja

energii na Słońcu)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Promieniowanie cieplneWymiana ciepła z otoczeniem za pomocą fal elektromagnetycznych (głoacutewnie w

podczerwieni)

gdzie σ=5670310-8 W(m2K4) jest stałą Stefana-Boltzmanna ε jest zdolnością

emisyjną ciała (0 do 1 może zależeć od długości fali) S jest powierzchnią ciała a

T jego temperaturą

4STPprom

TERMOMETRY

Termorezysty ndash to elementy elektryczne ktoacutere mierzą zmiany temperatury

poprzez pomiar związanej z nią zmiany oporu przewodnika bądź poacutełprzewodnika

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Termopary to układy dwoacutech przewodnikoacutew na stykach ktoacuterych wytwarza się

napięcie termoelektryczne proporcjonalne do roacuteżnicy temperatur obu stykoacutew

(zjawisko Seebecka)

Pirometry mierzą temperaturę poprzez pomiar (poroacutewnanie) emisji

promieniowania ciała ktoacuterego temperaturę chcemy określić z emisją ciała

doskonale czarnego ndash nadają się do pomiaru wysokich temperatur i do pomiaroacutew

bdquona odległośćrdquo

Bolometry roacutewnież bazują na fakcie że emisja promieniowania danego ciała

jest proporcjonalna do jego temperatury

Układy bimetali służą raczej jako dwustanowe przełączniki termiczne niż

termometry ale też pełnią rolę bdquomiernikoacutewrdquo temperatury

TEMPERATURA I CIEPŁO

Energia termiczna to energia wewnętrzna na ktoacuterą składa się energia

kinetyczna i potencjalna atomoacutew cząsteczek i innych ciał

mikroskopowych tworzących układ (eeehellip patrz slajd drugi)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Ciepło jest energią przekazywaną między układem z jego otoczeniem

na skutek istniejącej między nimi roacuteżnicy temperatur To raczej proces

przekazywania energii termicznej niż sama energia

Energia może być przekazywana między ciałami także w postaci pracy

(za pośrednictwem sił) Ciepło i praca nie są właściwościami układu

maja sens tylko podczas opisywania procesoacutew przekazywania energii

między ciałami

CIEPŁO

Jednostką ciepła jest więc jednostka energii czyli dżul

Początkowo używano jednak jednostek opartych na procesie ogrzewania

wody

kaloria (1 cal) to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1g wody

od 145degC do 155 degC

brytyjska jednostka cieplna (british thermal unit ndash Btu) zdefiniowana jest jako

ilość ciepła niezbędna do podniesienia temperatury 1lb (funta) wody od 63degF

do 64 degF

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Pojemność cieplna ciała wyraża ilość ciepła pobraną lub oddaną przez

to ciało przy zmianie jego temperatury

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(Uwaga na słowo bdquopojemnośćrdquo ciało można podgrzewać bez końca ndash chyba że nastąpi

zmiana fazyhellip)

T

QC

Ciepło właściwe pojemność cieplna na jednostkę masy ciała

Przykład

woda ciepło właściwe 4190 JkgK Tm

Qc

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Molowe ciepło właściwe gdy ilość substancji podajemy w molach nie w

kilogramach

1 mol = 6021023 jednostek elementarnych (cząstek atomoacutew)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

UWAGA Pojemność cieplna ciepło właściwe i molowe zależy od

warunkoacutew w ktoacuterych dzieje się przekazywanie ciepła Dla ciał stałych i

cieczy jest to w praktyce stałe ciśnienie i objętość ndash dla gazoacutew mogą to

być roacuteżne wartości w zależności od parametru ktoacutery jest ustalony (plub V)

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Podczas pochłanianiaoddawania ciepła zamiast zwiększania

temperatury może dojść do przemiany fazowej zmiany stanu skupienia

między stałym ciekłym i gazowym

- Topnienie ciało stałe rarr ciecz

- Krzepnięcie (zestalanie) ciecz ciało rarr stałe

- Parowanie ciecz rarr gaz

- Skraplanie (kondensacja) gaz rarr ciecz

- Sublimacja ciało stałe rarr gaz

- Resublimacja gaz rarr ciało stałe

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Ilość energii ktoacutera w postaci ciepła trzeba przekazać jednostkowej masie

substancji aby uległa ona przemianie fazowej jest nazywana ciepłem

przemiany (ciepło parowania ciepło topnienia itd)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(roacuteżne zwyczajowe oznaczenia)

Przykład

woda ciepło topnienia 333kJkg ciepło parowania 2256kJkg

m

Qcprzemiany

PRACA A CIEPŁO

Wymiana energii ciała z otoczeniem praca a ciepło

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

pdVpSdssdFdW

pdVdWW

Przykłady obliczania graficznego pracy

dla roacuteżnych przemian

PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI

Ilości wykonywanej pracy oraz pobieranego ciepła są roacuteżne i zależą

od rodzaju przemiany

Ale okazuje się że roacuteżnica tych dwoacutech wielkości jest jednakowa

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Pierwsza zasada termodynamiki WQdEw

(Uwaga tylko dEw jest roacuteżniczką bo energia wewnętrzna jest funkcją stanu symbol Δ

przy cieple i pracy użyto dla oznaczenia zmian tych wielkości)

Pierwsza zasada termodynamiki jest rozszerzeniem zasady zachowania

energii na układy nieizolowane energia może być przekazywana układowi

lub zabierana z układu w postaci ciepła i pracy

Energia wewnętrzna układu wzrasta jeżeli układ pobiera energię w

postaci ciepła i maleje kiedy wykonuje on pracę

PROCESY TERMODYNAMICZNE

Przypadki szczegoacutelne procesoacutew termodynamicznych

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przemiana adiabatycznaWarunek (brak wymiany ciepła z otoczeniem)

Wynik (układ wykonuje pracę kosztem energii wewnętrznej albo praca

wykonywana nad układem zwiększa jego Ew)

0QWdEw

Stała objętość (dV=0)

Warunek (nie ma zmiany objętości więc układ nie wykonuje pracy)

Wynik (układ pobiera lub oddaje ciepło i zwiększa lub zmniejsza swoją Ew)

0WQdEw

Cykl zamkniętyWarunek (energia wewnętrzna jako funkcja stanu zależy tylko od stanu

początkowego i końcowego)

Wynik (wypadkowa praca wykonana przez układ jest roacutewna pobranemu ciepłu

albo praca wykonana nad układem powoduje oddanie ciepła)

0wdE

WQ

Rozprężanie swobodneWarunek (adiabatyczne rozprężanie bez zmiany ciśnienia)

Wynik (energia wewnętrzna pozostaje niezmieniona w praktyce proces

nierealizowalny ze względu na brak roacutewnowagi termodynamicznej między stanami

przejściowymi wynikający ze zmian ciśnienia)

0 WQ

0wdE

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przewodnictwo cieplne

Zbiornik gorący TG

Zbiornik zimny TD

Q Izolator k Q L

L

TTkS

t

QP DG

przew

Substancja k [W(mK)]

Stal nierdzewna 14

Aluminium 235

Miedź 401

Srebro 428

Powietrze (suche) 0026

Szkło okienne 10

Drewno sosnowe 011

Wełna mineralna 0043

Pianka poliuretanowa 0024

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Konwekcja (unoszenie)

Kiedy płyn (woda gaz) znajduje się w kontakcie z ciałem o wyższej temperaturze

część płynu przylegająca do gorącego ciała ogrzewa się i zwiększa swą objętość co

prowadzi do spadku gęstości i w efekcie istnienia sił wyporu porusza się a w jej

miejsce napływa kolejna porcja płynu

(Przykłady płomień świecy prądy konwekcyjne wykorzystywane przez szybowce konwekcja

energii na Słońcu)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Promieniowanie cieplneWymiana ciepła z otoczeniem za pomocą fal elektromagnetycznych (głoacutewnie w

podczerwieni)

gdzie σ=5670310-8 W(m2K4) jest stałą Stefana-Boltzmanna ε jest zdolnością

emisyjną ciała (0 do 1 może zależeć od długości fali) S jest powierzchnią ciała a

T jego temperaturą

4STPprom

TEMPERATURA I CIEPŁO

Energia termiczna to energia wewnętrzna na ktoacuterą składa się energia

kinetyczna i potencjalna atomoacutew cząsteczek i innych ciał

mikroskopowych tworzących układ (eeehellip patrz slajd drugi)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Ciepło jest energią przekazywaną między układem z jego otoczeniem

na skutek istniejącej między nimi roacuteżnicy temperatur To raczej proces

przekazywania energii termicznej niż sama energia

Energia może być przekazywana między ciałami także w postaci pracy

(za pośrednictwem sił) Ciepło i praca nie są właściwościami układu

maja sens tylko podczas opisywania procesoacutew przekazywania energii

między ciałami

CIEPŁO

Jednostką ciepła jest więc jednostka energii czyli dżul

Początkowo używano jednak jednostek opartych na procesie ogrzewania

wody

kaloria (1 cal) to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1g wody

od 145degC do 155 degC

brytyjska jednostka cieplna (british thermal unit ndash Btu) zdefiniowana jest jako

ilość ciepła niezbędna do podniesienia temperatury 1lb (funta) wody od 63degF

do 64 degF

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Pojemność cieplna ciała wyraża ilość ciepła pobraną lub oddaną przez

to ciało przy zmianie jego temperatury

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(Uwaga na słowo bdquopojemnośćrdquo ciało można podgrzewać bez końca ndash chyba że nastąpi

zmiana fazyhellip)

T

QC

Ciepło właściwe pojemność cieplna na jednostkę masy ciała

Przykład

woda ciepło właściwe 4190 JkgK Tm

Qc

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Molowe ciepło właściwe gdy ilość substancji podajemy w molach nie w

kilogramach

1 mol = 6021023 jednostek elementarnych (cząstek atomoacutew)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

UWAGA Pojemność cieplna ciepło właściwe i molowe zależy od

warunkoacutew w ktoacuterych dzieje się przekazywanie ciepła Dla ciał stałych i

cieczy jest to w praktyce stałe ciśnienie i objętość ndash dla gazoacutew mogą to

być roacuteżne wartości w zależności od parametru ktoacutery jest ustalony (plub V)

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Podczas pochłanianiaoddawania ciepła zamiast zwiększania

temperatury może dojść do przemiany fazowej zmiany stanu skupienia

między stałym ciekłym i gazowym

- Topnienie ciało stałe rarr ciecz

- Krzepnięcie (zestalanie) ciecz ciało rarr stałe

- Parowanie ciecz rarr gaz

- Skraplanie (kondensacja) gaz rarr ciecz

- Sublimacja ciało stałe rarr gaz

- Resublimacja gaz rarr ciało stałe

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Ilość energii ktoacutera w postaci ciepła trzeba przekazać jednostkowej masie

substancji aby uległa ona przemianie fazowej jest nazywana ciepłem

przemiany (ciepło parowania ciepło topnienia itd)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(roacuteżne zwyczajowe oznaczenia)

Przykład

woda ciepło topnienia 333kJkg ciepło parowania 2256kJkg

m

Qcprzemiany

PRACA A CIEPŁO

Wymiana energii ciała z otoczeniem praca a ciepło

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

pdVpSdssdFdW

pdVdWW

Przykłady obliczania graficznego pracy

dla roacuteżnych przemian

PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI

Ilości wykonywanej pracy oraz pobieranego ciepła są roacuteżne i zależą

od rodzaju przemiany

Ale okazuje się że roacuteżnica tych dwoacutech wielkości jest jednakowa

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Pierwsza zasada termodynamiki WQdEw

(Uwaga tylko dEw jest roacuteżniczką bo energia wewnętrzna jest funkcją stanu symbol Δ

przy cieple i pracy użyto dla oznaczenia zmian tych wielkości)

Pierwsza zasada termodynamiki jest rozszerzeniem zasady zachowania

energii na układy nieizolowane energia może być przekazywana układowi

lub zabierana z układu w postaci ciepła i pracy

Energia wewnętrzna układu wzrasta jeżeli układ pobiera energię w

postaci ciepła i maleje kiedy wykonuje on pracę

PROCESY TERMODYNAMICZNE

Przypadki szczegoacutelne procesoacutew termodynamicznych

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przemiana adiabatycznaWarunek (brak wymiany ciepła z otoczeniem)

Wynik (układ wykonuje pracę kosztem energii wewnętrznej albo praca

wykonywana nad układem zwiększa jego Ew)

0QWdEw

Stała objętość (dV=0)

Warunek (nie ma zmiany objętości więc układ nie wykonuje pracy)

Wynik (układ pobiera lub oddaje ciepło i zwiększa lub zmniejsza swoją Ew)

0WQdEw

Cykl zamkniętyWarunek (energia wewnętrzna jako funkcja stanu zależy tylko od stanu

początkowego i końcowego)

Wynik (wypadkowa praca wykonana przez układ jest roacutewna pobranemu ciepłu

albo praca wykonana nad układem powoduje oddanie ciepła)

0wdE

WQ

Rozprężanie swobodneWarunek (adiabatyczne rozprężanie bez zmiany ciśnienia)

Wynik (energia wewnętrzna pozostaje niezmieniona w praktyce proces

nierealizowalny ze względu na brak roacutewnowagi termodynamicznej między stanami

przejściowymi wynikający ze zmian ciśnienia)

0 WQ

0wdE

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przewodnictwo cieplne

Zbiornik gorący TG

Zbiornik zimny TD

Q Izolator k Q L

L

TTkS

t

QP DG

przew

Substancja k [W(mK)]

Stal nierdzewna 14

Aluminium 235

Miedź 401

Srebro 428

Powietrze (suche) 0026

Szkło okienne 10

Drewno sosnowe 011

Wełna mineralna 0043

Pianka poliuretanowa 0024

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Konwekcja (unoszenie)

Kiedy płyn (woda gaz) znajduje się w kontakcie z ciałem o wyższej temperaturze

część płynu przylegająca do gorącego ciała ogrzewa się i zwiększa swą objętość co

prowadzi do spadku gęstości i w efekcie istnienia sił wyporu porusza się a w jej

miejsce napływa kolejna porcja płynu

(Przykłady płomień świecy prądy konwekcyjne wykorzystywane przez szybowce konwekcja

energii na Słońcu)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Promieniowanie cieplneWymiana ciepła z otoczeniem za pomocą fal elektromagnetycznych (głoacutewnie w

podczerwieni)

gdzie σ=5670310-8 W(m2K4) jest stałą Stefana-Boltzmanna ε jest zdolnością

emisyjną ciała (0 do 1 może zależeć od długości fali) S jest powierzchnią ciała a

T jego temperaturą

4STPprom

CIEPŁO

Jednostką ciepła jest więc jednostka energii czyli dżul

Początkowo używano jednak jednostek opartych na procesie ogrzewania

wody

kaloria (1 cal) to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1g wody

od 145degC do 155 degC

brytyjska jednostka cieplna (british thermal unit ndash Btu) zdefiniowana jest jako

ilość ciepła niezbędna do podniesienia temperatury 1lb (funta) wody od 63degF

do 64 degF

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Pojemność cieplna ciała wyraża ilość ciepła pobraną lub oddaną przez

to ciało przy zmianie jego temperatury

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(Uwaga na słowo bdquopojemnośćrdquo ciało można podgrzewać bez końca ndash chyba że nastąpi

zmiana fazyhellip)

T

QC

Ciepło właściwe pojemność cieplna na jednostkę masy ciała

Przykład

woda ciepło właściwe 4190 JkgK Tm

Qc

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Molowe ciepło właściwe gdy ilość substancji podajemy w molach nie w

kilogramach

1 mol = 6021023 jednostek elementarnych (cząstek atomoacutew)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

UWAGA Pojemność cieplna ciepło właściwe i molowe zależy od

warunkoacutew w ktoacuterych dzieje się przekazywanie ciepła Dla ciał stałych i

cieczy jest to w praktyce stałe ciśnienie i objętość ndash dla gazoacutew mogą to

być roacuteżne wartości w zależności od parametru ktoacutery jest ustalony (plub V)

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Podczas pochłanianiaoddawania ciepła zamiast zwiększania

temperatury może dojść do przemiany fazowej zmiany stanu skupienia

między stałym ciekłym i gazowym

- Topnienie ciało stałe rarr ciecz

- Krzepnięcie (zestalanie) ciecz ciało rarr stałe

- Parowanie ciecz rarr gaz

- Skraplanie (kondensacja) gaz rarr ciecz

- Sublimacja ciało stałe rarr gaz

- Resublimacja gaz rarr ciało stałe

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Ilość energii ktoacutera w postaci ciepła trzeba przekazać jednostkowej masie

substancji aby uległa ona przemianie fazowej jest nazywana ciepłem

przemiany (ciepło parowania ciepło topnienia itd)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(roacuteżne zwyczajowe oznaczenia)

Przykład

woda ciepło topnienia 333kJkg ciepło parowania 2256kJkg

m

Qcprzemiany

PRACA A CIEPŁO

Wymiana energii ciała z otoczeniem praca a ciepło

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

pdVpSdssdFdW

pdVdWW

Przykłady obliczania graficznego pracy

dla roacuteżnych przemian

PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI

Ilości wykonywanej pracy oraz pobieranego ciepła są roacuteżne i zależą

od rodzaju przemiany

Ale okazuje się że roacuteżnica tych dwoacutech wielkości jest jednakowa

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Pierwsza zasada termodynamiki WQdEw

(Uwaga tylko dEw jest roacuteżniczką bo energia wewnętrzna jest funkcją stanu symbol Δ

przy cieple i pracy użyto dla oznaczenia zmian tych wielkości)

Pierwsza zasada termodynamiki jest rozszerzeniem zasady zachowania

energii na układy nieizolowane energia może być przekazywana układowi

lub zabierana z układu w postaci ciepła i pracy

Energia wewnętrzna układu wzrasta jeżeli układ pobiera energię w

postaci ciepła i maleje kiedy wykonuje on pracę

PROCESY TERMODYNAMICZNE

Przypadki szczegoacutelne procesoacutew termodynamicznych

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przemiana adiabatycznaWarunek (brak wymiany ciepła z otoczeniem)

Wynik (układ wykonuje pracę kosztem energii wewnętrznej albo praca

wykonywana nad układem zwiększa jego Ew)

0QWdEw

Stała objętość (dV=0)

Warunek (nie ma zmiany objętości więc układ nie wykonuje pracy)

Wynik (układ pobiera lub oddaje ciepło i zwiększa lub zmniejsza swoją Ew)

0WQdEw

Cykl zamkniętyWarunek (energia wewnętrzna jako funkcja stanu zależy tylko od stanu

początkowego i końcowego)

Wynik (wypadkowa praca wykonana przez układ jest roacutewna pobranemu ciepłu

albo praca wykonana nad układem powoduje oddanie ciepła)

0wdE

WQ

Rozprężanie swobodneWarunek (adiabatyczne rozprężanie bez zmiany ciśnienia)

Wynik (energia wewnętrzna pozostaje niezmieniona w praktyce proces

nierealizowalny ze względu na brak roacutewnowagi termodynamicznej między stanami

przejściowymi wynikający ze zmian ciśnienia)

0 WQ

0wdE

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przewodnictwo cieplne

Zbiornik gorący TG

Zbiornik zimny TD

Q Izolator k Q L

L

TTkS

t

QP DG

przew

Substancja k [W(mK)]

Stal nierdzewna 14

Aluminium 235

Miedź 401

Srebro 428

Powietrze (suche) 0026

Szkło okienne 10

Drewno sosnowe 011

Wełna mineralna 0043

Pianka poliuretanowa 0024

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Konwekcja (unoszenie)

Kiedy płyn (woda gaz) znajduje się w kontakcie z ciałem o wyższej temperaturze

część płynu przylegająca do gorącego ciała ogrzewa się i zwiększa swą objętość co

prowadzi do spadku gęstości i w efekcie istnienia sił wyporu porusza się a w jej

miejsce napływa kolejna porcja płynu

(Przykłady płomień świecy prądy konwekcyjne wykorzystywane przez szybowce konwekcja

energii na Słońcu)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Promieniowanie cieplneWymiana ciepła z otoczeniem za pomocą fal elektromagnetycznych (głoacutewnie w

podczerwieni)

gdzie σ=5670310-8 W(m2K4) jest stałą Stefana-Boltzmanna ε jest zdolnością

emisyjną ciała (0 do 1 może zależeć od długości fali) S jest powierzchnią ciała a

T jego temperaturą

4STPprom

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Pojemność cieplna ciała wyraża ilość ciepła pobraną lub oddaną przez

to ciało przy zmianie jego temperatury

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(Uwaga na słowo bdquopojemnośćrdquo ciało można podgrzewać bez końca ndash chyba że nastąpi

zmiana fazyhellip)

T

QC

Ciepło właściwe pojemność cieplna na jednostkę masy ciała

Przykład

woda ciepło właściwe 4190 JkgK Tm

Qc

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Molowe ciepło właściwe gdy ilość substancji podajemy w molach nie w

kilogramach

1 mol = 6021023 jednostek elementarnych (cząstek atomoacutew)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

UWAGA Pojemność cieplna ciepło właściwe i molowe zależy od

warunkoacutew w ktoacuterych dzieje się przekazywanie ciepła Dla ciał stałych i

cieczy jest to w praktyce stałe ciśnienie i objętość ndash dla gazoacutew mogą to

być roacuteżne wartości w zależności od parametru ktoacutery jest ustalony (plub V)

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Podczas pochłanianiaoddawania ciepła zamiast zwiększania

temperatury może dojść do przemiany fazowej zmiany stanu skupienia

między stałym ciekłym i gazowym

- Topnienie ciało stałe rarr ciecz

- Krzepnięcie (zestalanie) ciecz ciało rarr stałe

- Parowanie ciecz rarr gaz

- Skraplanie (kondensacja) gaz rarr ciecz

- Sublimacja ciało stałe rarr gaz

- Resublimacja gaz rarr ciało stałe

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Ilość energii ktoacutera w postaci ciepła trzeba przekazać jednostkowej masie

substancji aby uległa ona przemianie fazowej jest nazywana ciepłem

przemiany (ciepło parowania ciepło topnienia itd)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(roacuteżne zwyczajowe oznaczenia)

Przykład

woda ciepło topnienia 333kJkg ciepło parowania 2256kJkg

m

Qcprzemiany

PRACA A CIEPŁO

Wymiana energii ciała z otoczeniem praca a ciepło

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

pdVpSdssdFdW

pdVdWW

Przykłady obliczania graficznego pracy

dla roacuteżnych przemian

PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI

Ilości wykonywanej pracy oraz pobieranego ciepła są roacuteżne i zależą

od rodzaju przemiany

Ale okazuje się że roacuteżnica tych dwoacutech wielkości jest jednakowa

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Pierwsza zasada termodynamiki WQdEw

(Uwaga tylko dEw jest roacuteżniczką bo energia wewnętrzna jest funkcją stanu symbol Δ

przy cieple i pracy użyto dla oznaczenia zmian tych wielkości)

Pierwsza zasada termodynamiki jest rozszerzeniem zasady zachowania

energii na układy nieizolowane energia może być przekazywana układowi

lub zabierana z układu w postaci ciepła i pracy

Energia wewnętrzna układu wzrasta jeżeli układ pobiera energię w

postaci ciepła i maleje kiedy wykonuje on pracę

PROCESY TERMODYNAMICZNE

Przypadki szczegoacutelne procesoacutew termodynamicznych

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przemiana adiabatycznaWarunek (brak wymiany ciepła z otoczeniem)

Wynik (układ wykonuje pracę kosztem energii wewnętrznej albo praca

wykonywana nad układem zwiększa jego Ew)

0QWdEw

Stała objętość (dV=0)

Warunek (nie ma zmiany objętości więc układ nie wykonuje pracy)

Wynik (układ pobiera lub oddaje ciepło i zwiększa lub zmniejsza swoją Ew)

0WQdEw

Cykl zamkniętyWarunek (energia wewnętrzna jako funkcja stanu zależy tylko od stanu

początkowego i końcowego)

Wynik (wypadkowa praca wykonana przez układ jest roacutewna pobranemu ciepłu

albo praca wykonana nad układem powoduje oddanie ciepła)

0wdE

WQ

Rozprężanie swobodneWarunek (adiabatyczne rozprężanie bez zmiany ciśnienia)

Wynik (energia wewnętrzna pozostaje niezmieniona w praktyce proces

nierealizowalny ze względu na brak roacutewnowagi termodynamicznej między stanami

przejściowymi wynikający ze zmian ciśnienia)

0 WQ

0wdE

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przewodnictwo cieplne

Zbiornik gorący TG

Zbiornik zimny TD

Q Izolator k Q L

L

TTkS

t

QP DG

przew

Substancja k [W(mK)]

Stal nierdzewna 14

Aluminium 235

Miedź 401

Srebro 428

Powietrze (suche) 0026

Szkło okienne 10

Drewno sosnowe 011

Wełna mineralna 0043

Pianka poliuretanowa 0024

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Konwekcja (unoszenie)

Kiedy płyn (woda gaz) znajduje się w kontakcie z ciałem o wyższej temperaturze

część płynu przylegająca do gorącego ciała ogrzewa się i zwiększa swą objętość co

prowadzi do spadku gęstości i w efekcie istnienia sił wyporu porusza się a w jej

miejsce napływa kolejna porcja płynu

(Przykłady płomień świecy prądy konwekcyjne wykorzystywane przez szybowce konwekcja

energii na Słońcu)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Promieniowanie cieplneWymiana ciepła z otoczeniem za pomocą fal elektromagnetycznych (głoacutewnie w

podczerwieni)

gdzie σ=5670310-8 W(m2K4) jest stałą Stefana-Boltzmanna ε jest zdolnością

emisyjną ciała (0 do 1 może zależeć od długości fali) S jest powierzchnią ciała a

T jego temperaturą

4STPprom

POCHŁANIANIE CIEPŁA

Molowe ciepło właściwe gdy ilość substancji podajemy w molach nie w

kilogramach

1 mol = 6021023 jednostek elementarnych (cząstek atomoacutew)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

UWAGA Pojemność cieplna ciepło właściwe i molowe zależy od

warunkoacutew w ktoacuterych dzieje się przekazywanie ciepła Dla ciał stałych i

cieczy jest to w praktyce stałe ciśnienie i objętość ndash dla gazoacutew mogą to

być roacuteżne wartości w zależności od parametru ktoacutery jest ustalony (plub V)

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Podczas pochłanianiaoddawania ciepła zamiast zwiększania

temperatury może dojść do przemiany fazowej zmiany stanu skupienia

między stałym ciekłym i gazowym

- Topnienie ciało stałe rarr ciecz

- Krzepnięcie (zestalanie) ciecz ciało rarr stałe

- Parowanie ciecz rarr gaz

- Skraplanie (kondensacja) gaz rarr ciecz

- Sublimacja ciało stałe rarr gaz

- Resublimacja gaz rarr ciało stałe

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Ilość energii ktoacutera w postaci ciepła trzeba przekazać jednostkowej masie

substancji aby uległa ona przemianie fazowej jest nazywana ciepłem

przemiany (ciepło parowania ciepło topnienia itd)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(roacuteżne zwyczajowe oznaczenia)

Przykład

woda ciepło topnienia 333kJkg ciepło parowania 2256kJkg

m

Qcprzemiany

PRACA A CIEPŁO

Wymiana energii ciała z otoczeniem praca a ciepło

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

pdVpSdssdFdW

pdVdWW

Przykłady obliczania graficznego pracy

dla roacuteżnych przemian

PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI

Ilości wykonywanej pracy oraz pobieranego ciepła są roacuteżne i zależą

od rodzaju przemiany

Ale okazuje się że roacuteżnica tych dwoacutech wielkości jest jednakowa

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Pierwsza zasada termodynamiki WQdEw

(Uwaga tylko dEw jest roacuteżniczką bo energia wewnętrzna jest funkcją stanu symbol Δ

przy cieple i pracy użyto dla oznaczenia zmian tych wielkości)

Pierwsza zasada termodynamiki jest rozszerzeniem zasady zachowania

energii na układy nieizolowane energia może być przekazywana układowi

lub zabierana z układu w postaci ciepła i pracy

Energia wewnętrzna układu wzrasta jeżeli układ pobiera energię w

postaci ciepła i maleje kiedy wykonuje on pracę

PROCESY TERMODYNAMICZNE

Przypadki szczegoacutelne procesoacutew termodynamicznych

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przemiana adiabatycznaWarunek (brak wymiany ciepła z otoczeniem)

Wynik (układ wykonuje pracę kosztem energii wewnętrznej albo praca

wykonywana nad układem zwiększa jego Ew)

0QWdEw

Stała objętość (dV=0)

Warunek (nie ma zmiany objętości więc układ nie wykonuje pracy)

Wynik (układ pobiera lub oddaje ciepło i zwiększa lub zmniejsza swoją Ew)

0WQdEw

Cykl zamkniętyWarunek (energia wewnętrzna jako funkcja stanu zależy tylko od stanu

początkowego i końcowego)

Wynik (wypadkowa praca wykonana przez układ jest roacutewna pobranemu ciepłu

albo praca wykonana nad układem powoduje oddanie ciepła)

0wdE

WQ

Rozprężanie swobodneWarunek (adiabatyczne rozprężanie bez zmiany ciśnienia)

Wynik (energia wewnętrzna pozostaje niezmieniona w praktyce proces

nierealizowalny ze względu na brak roacutewnowagi termodynamicznej między stanami

przejściowymi wynikający ze zmian ciśnienia)

0 WQ

0wdE

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przewodnictwo cieplne

Zbiornik gorący TG

Zbiornik zimny TD

Q Izolator k Q L

L

TTkS

t

QP DG

przew

Substancja k [W(mK)]

Stal nierdzewna 14

Aluminium 235

Miedź 401

Srebro 428

Powietrze (suche) 0026

Szkło okienne 10

Drewno sosnowe 011

Wełna mineralna 0043

Pianka poliuretanowa 0024

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Konwekcja (unoszenie)

Kiedy płyn (woda gaz) znajduje się w kontakcie z ciałem o wyższej temperaturze

część płynu przylegająca do gorącego ciała ogrzewa się i zwiększa swą objętość co

prowadzi do spadku gęstości i w efekcie istnienia sił wyporu porusza się a w jej

miejsce napływa kolejna porcja płynu

(Przykłady płomień świecy prądy konwekcyjne wykorzystywane przez szybowce konwekcja

energii na Słońcu)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Promieniowanie cieplneWymiana ciepła z otoczeniem za pomocą fal elektromagnetycznych (głoacutewnie w

podczerwieni)

gdzie σ=5670310-8 W(m2K4) jest stałą Stefana-Boltzmanna ε jest zdolnością

emisyjną ciała (0 do 1 może zależeć od długości fali) S jest powierzchnią ciała a

T jego temperaturą

4STPprom

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Podczas pochłanianiaoddawania ciepła zamiast zwiększania

temperatury może dojść do przemiany fazowej zmiany stanu skupienia

między stałym ciekłym i gazowym

- Topnienie ciało stałe rarr ciecz

- Krzepnięcie (zestalanie) ciecz ciało rarr stałe

- Parowanie ciecz rarr gaz

- Skraplanie (kondensacja) gaz rarr ciecz

- Sublimacja ciało stałe rarr gaz

- Resublimacja gaz rarr ciało stałe

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Ilość energii ktoacutera w postaci ciepła trzeba przekazać jednostkowej masie

substancji aby uległa ona przemianie fazowej jest nazywana ciepłem

przemiany (ciepło parowania ciepło topnienia itd)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(roacuteżne zwyczajowe oznaczenia)

Przykład

woda ciepło topnienia 333kJkg ciepło parowania 2256kJkg

m

Qcprzemiany

PRACA A CIEPŁO

Wymiana energii ciała z otoczeniem praca a ciepło

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

pdVpSdssdFdW

pdVdWW

Przykłady obliczania graficznego pracy

dla roacuteżnych przemian

PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI

Ilości wykonywanej pracy oraz pobieranego ciepła są roacuteżne i zależą

od rodzaju przemiany

Ale okazuje się że roacuteżnica tych dwoacutech wielkości jest jednakowa

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Pierwsza zasada termodynamiki WQdEw

(Uwaga tylko dEw jest roacuteżniczką bo energia wewnętrzna jest funkcją stanu symbol Δ

przy cieple i pracy użyto dla oznaczenia zmian tych wielkości)

Pierwsza zasada termodynamiki jest rozszerzeniem zasady zachowania

energii na układy nieizolowane energia może być przekazywana układowi

lub zabierana z układu w postaci ciepła i pracy

Energia wewnętrzna układu wzrasta jeżeli układ pobiera energię w

postaci ciepła i maleje kiedy wykonuje on pracę

PROCESY TERMODYNAMICZNE

Przypadki szczegoacutelne procesoacutew termodynamicznych

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przemiana adiabatycznaWarunek (brak wymiany ciepła z otoczeniem)

Wynik (układ wykonuje pracę kosztem energii wewnętrznej albo praca

wykonywana nad układem zwiększa jego Ew)

0QWdEw

Stała objętość (dV=0)

Warunek (nie ma zmiany objętości więc układ nie wykonuje pracy)

Wynik (układ pobiera lub oddaje ciepło i zwiększa lub zmniejsza swoją Ew)

0WQdEw

Cykl zamkniętyWarunek (energia wewnętrzna jako funkcja stanu zależy tylko od stanu

początkowego i końcowego)

Wynik (wypadkowa praca wykonana przez układ jest roacutewna pobranemu ciepłu

albo praca wykonana nad układem powoduje oddanie ciepła)

0wdE

WQ

Rozprężanie swobodneWarunek (adiabatyczne rozprężanie bez zmiany ciśnienia)

Wynik (energia wewnętrzna pozostaje niezmieniona w praktyce proces

nierealizowalny ze względu na brak roacutewnowagi termodynamicznej między stanami

przejściowymi wynikający ze zmian ciśnienia)

0 WQ

0wdE

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przewodnictwo cieplne

Zbiornik gorący TG

Zbiornik zimny TD

Q Izolator k Q L

L

TTkS

t

QP DG

przew

Substancja k [W(mK)]

Stal nierdzewna 14

Aluminium 235

Miedź 401

Srebro 428

Powietrze (suche) 0026

Szkło okienne 10

Drewno sosnowe 011

Wełna mineralna 0043

Pianka poliuretanowa 0024

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Konwekcja (unoszenie)

Kiedy płyn (woda gaz) znajduje się w kontakcie z ciałem o wyższej temperaturze

część płynu przylegająca do gorącego ciała ogrzewa się i zwiększa swą objętość co

prowadzi do spadku gęstości i w efekcie istnienia sił wyporu porusza się a w jej

miejsce napływa kolejna porcja płynu

(Przykłady płomień świecy prądy konwekcyjne wykorzystywane przez szybowce konwekcja

energii na Słońcu)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Promieniowanie cieplneWymiana ciepła z otoczeniem za pomocą fal elektromagnetycznych (głoacutewnie w

podczerwieni)

gdzie σ=5670310-8 W(m2K4) jest stałą Stefana-Boltzmanna ε jest zdolnością

emisyjną ciała (0 do 1 może zależeć od długości fali) S jest powierzchnią ciała a

T jego temperaturą

4STPprom

CIEPŁO PRZEMIAN FAZOWYCH

Ilość energii ktoacutera w postaci ciepła trzeba przekazać jednostkowej masie

substancji aby uległa ona przemianie fazowej jest nazywana ciepłem

przemiany (ciepło parowania ciepło topnienia itd)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

(roacuteżne zwyczajowe oznaczenia)

Przykład

woda ciepło topnienia 333kJkg ciepło parowania 2256kJkg

m

Qcprzemiany

PRACA A CIEPŁO

Wymiana energii ciała z otoczeniem praca a ciepło

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

pdVpSdssdFdW

pdVdWW

Przykłady obliczania graficznego pracy

dla roacuteżnych przemian

PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI

Ilości wykonywanej pracy oraz pobieranego ciepła są roacuteżne i zależą

od rodzaju przemiany

Ale okazuje się że roacuteżnica tych dwoacutech wielkości jest jednakowa

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Pierwsza zasada termodynamiki WQdEw

(Uwaga tylko dEw jest roacuteżniczką bo energia wewnętrzna jest funkcją stanu symbol Δ

przy cieple i pracy użyto dla oznaczenia zmian tych wielkości)

Pierwsza zasada termodynamiki jest rozszerzeniem zasady zachowania

energii na układy nieizolowane energia może być przekazywana układowi

lub zabierana z układu w postaci ciepła i pracy

Energia wewnętrzna układu wzrasta jeżeli układ pobiera energię w

postaci ciepła i maleje kiedy wykonuje on pracę

PROCESY TERMODYNAMICZNE

Przypadki szczegoacutelne procesoacutew termodynamicznych

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przemiana adiabatycznaWarunek (brak wymiany ciepła z otoczeniem)

Wynik (układ wykonuje pracę kosztem energii wewnętrznej albo praca

wykonywana nad układem zwiększa jego Ew)

0QWdEw

Stała objętość (dV=0)

Warunek (nie ma zmiany objętości więc układ nie wykonuje pracy)

Wynik (układ pobiera lub oddaje ciepło i zwiększa lub zmniejsza swoją Ew)

0WQdEw

Cykl zamkniętyWarunek (energia wewnętrzna jako funkcja stanu zależy tylko od stanu

początkowego i końcowego)

Wynik (wypadkowa praca wykonana przez układ jest roacutewna pobranemu ciepłu

albo praca wykonana nad układem powoduje oddanie ciepła)

0wdE

WQ

Rozprężanie swobodneWarunek (adiabatyczne rozprężanie bez zmiany ciśnienia)

Wynik (energia wewnętrzna pozostaje niezmieniona w praktyce proces

nierealizowalny ze względu na brak roacutewnowagi termodynamicznej między stanami

przejściowymi wynikający ze zmian ciśnienia)

0 WQ

0wdE

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przewodnictwo cieplne

Zbiornik gorący TG

Zbiornik zimny TD

Q Izolator k Q L

L

TTkS

t

QP DG

przew

Substancja k [W(mK)]

Stal nierdzewna 14

Aluminium 235

Miedź 401

Srebro 428

Powietrze (suche) 0026

Szkło okienne 10

Drewno sosnowe 011

Wełna mineralna 0043

Pianka poliuretanowa 0024

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Konwekcja (unoszenie)

Kiedy płyn (woda gaz) znajduje się w kontakcie z ciałem o wyższej temperaturze

część płynu przylegająca do gorącego ciała ogrzewa się i zwiększa swą objętość co

prowadzi do spadku gęstości i w efekcie istnienia sił wyporu porusza się a w jej

miejsce napływa kolejna porcja płynu

(Przykłady płomień świecy prądy konwekcyjne wykorzystywane przez szybowce konwekcja

energii na Słońcu)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Promieniowanie cieplneWymiana ciepła z otoczeniem za pomocą fal elektromagnetycznych (głoacutewnie w

podczerwieni)

gdzie σ=5670310-8 W(m2K4) jest stałą Stefana-Boltzmanna ε jest zdolnością

emisyjną ciała (0 do 1 może zależeć od długości fali) S jest powierzchnią ciała a

T jego temperaturą

4STPprom

PRACA A CIEPŁO

Wymiana energii ciała z otoczeniem praca a ciepło

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

pdVpSdssdFdW

pdVdWW

Przykłady obliczania graficznego pracy

dla roacuteżnych przemian

PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI

Ilości wykonywanej pracy oraz pobieranego ciepła są roacuteżne i zależą

od rodzaju przemiany

Ale okazuje się że roacuteżnica tych dwoacutech wielkości jest jednakowa

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Pierwsza zasada termodynamiki WQdEw

(Uwaga tylko dEw jest roacuteżniczką bo energia wewnętrzna jest funkcją stanu symbol Δ

przy cieple i pracy użyto dla oznaczenia zmian tych wielkości)

Pierwsza zasada termodynamiki jest rozszerzeniem zasady zachowania

energii na układy nieizolowane energia może być przekazywana układowi

lub zabierana z układu w postaci ciepła i pracy

Energia wewnętrzna układu wzrasta jeżeli układ pobiera energię w

postaci ciepła i maleje kiedy wykonuje on pracę

PROCESY TERMODYNAMICZNE

Przypadki szczegoacutelne procesoacutew termodynamicznych

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przemiana adiabatycznaWarunek (brak wymiany ciepła z otoczeniem)

Wynik (układ wykonuje pracę kosztem energii wewnętrznej albo praca

wykonywana nad układem zwiększa jego Ew)

0QWdEw

Stała objętość (dV=0)

Warunek (nie ma zmiany objętości więc układ nie wykonuje pracy)

Wynik (układ pobiera lub oddaje ciepło i zwiększa lub zmniejsza swoją Ew)

0WQdEw

Cykl zamkniętyWarunek (energia wewnętrzna jako funkcja stanu zależy tylko od stanu

początkowego i końcowego)

Wynik (wypadkowa praca wykonana przez układ jest roacutewna pobranemu ciepłu

albo praca wykonana nad układem powoduje oddanie ciepła)

0wdE

WQ

Rozprężanie swobodneWarunek (adiabatyczne rozprężanie bez zmiany ciśnienia)

Wynik (energia wewnętrzna pozostaje niezmieniona w praktyce proces

nierealizowalny ze względu na brak roacutewnowagi termodynamicznej między stanami

przejściowymi wynikający ze zmian ciśnienia)

0 WQ

0wdE

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przewodnictwo cieplne

Zbiornik gorący TG

Zbiornik zimny TD

Q Izolator k Q L

L

TTkS

t

QP DG

przew

Substancja k [W(mK)]

Stal nierdzewna 14

Aluminium 235

Miedź 401

Srebro 428

Powietrze (suche) 0026

Szkło okienne 10

Drewno sosnowe 011

Wełna mineralna 0043

Pianka poliuretanowa 0024

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Konwekcja (unoszenie)

Kiedy płyn (woda gaz) znajduje się w kontakcie z ciałem o wyższej temperaturze

część płynu przylegająca do gorącego ciała ogrzewa się i zwiększa swą objętość co

prowadzi do spadku gęstości i w efekcie istnienia sił wyporu porusza się a w jej

miejsce napływa kolejna porcja płynu

(Przykłady płomień świecy prądy konwekcyjne wykorzystywane przez szybowce konwekcja

energii na Słońcu)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Promieniowanie cieplneWymiana ciepła z otoczeniem za pomocą fal elektromagnetycznych (głoacutewnie w

podczerwieni)

gdzie σ=5670310-8 W(m2K4) jest stałą Stefana-Boltzmanna ε jest zdolnością

emisyjną ciała (0 do 1 może zależeć od długości fali) S jest powierzchnią ciała a

T jego temperaturą

4STPprom

PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI

Ilości wykonywanej pracy oraz pobieranego ciepła są roacuteżne i zależą

od rodzaju przemiany

Ale okazuje się że roacuteżnica tych dwoacutech wielkości jest jednakowa

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Pierwsza zasada termodynamiki WQdEw

(Uwaga tylko dEw jest roacuteżniczką bo energia wewnętrzna jest funkcją stanu symbol Δ

przy cieple i pracy użyto dla oznaczenia zmian tych wielkości)

Pierwsza zasada termodynamiki jest rozszerzeniem zasady zachowania

energii na układy nieizolowane energia może być przekazywana układowi

lub zabierana z układu w postaci ciepła i pracy

Energia wewnętrzna układu wzrasta jeżeli układ pobiera energię w

postaci ciepła i maleje kiedy wykonuje on pracę

PROCESY TERMODYNAMICZNE

Przypadki szczegoacutelne procesoacutew termodynamicznych

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przemiana adiabatycznaWarunek (brak wymiany ciepła z otoczeniem)

Wynik (układ wykonuje pracę kosztem energii wewnętrznej albo praca

wykonywana nad układem zwiększa jego Ew)

0QWdEw

Stała objętość (dV=0)

Warunek (nie ma zmiany objętości więc układ nie wykonuje pracy)

Wynik (układ pobiera lub oddaje ciepło i zwiększa lub zmniejsza swoją Ew)

0WQdEw

Cykl zamkniętyWarunek (energia wewnętrzna jako funkcja stanu zależy tylko od stanu

początkowego i końcowego)

Wynik (wypadkowa praca wykonana przez układ jest roacutewna pobranemu ciepłu

albo praca wykonana nad układem powoduje oddanie ciepła)

0wdE

WQ

Rozprężanie swobodneWarunek (adiabatyczne rozprężanie bez zmiany ciśnienia)

Wynik (energia wewnętrzna pozostaje niezmieniona w praktyce proces

nierealizowalny ze względu na brak roacutewnowagi termodynamicznej między stanami

przejściowymi wynikający ze zmian ciśnienia)

0 WQ

0wdE

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przewodnictwo cieplne

Zbiornik gorący TG

Zbiornik zimny TD

Q Izolator k Q L

L

TTkS

t

QP DG

przew

Substancja k [W(mK)]

Stal nierdzewna 14

Aluminium 235

Miedź 401

Srebro 428

Powietrze (suche) 0026

Szkło okienne 10

Drewno sosnowe 011

Wełna mineralna 0043

Pianka poliuretanowa 0024

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Konwekcja (unoszenie)

Kiedy płyn (woda gaz) znajduje się w kontakcie z ciałem o wyższej temperaturze

część płynu przylegająca do gorącego ciała ogrzewa się i zwiększa swą objętość co

prowadzi do spadku gęstości i w efekcie istnienia sił wyporu porusza się a w jej

miejsce napływa kolejna porcja płynu

(Przykłady płomień świecy prądy konwekcyjne wykorzystywane przez szybowce konwekcja

energii na Słońcu)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Promieniowanie cieplneWymiana ciepła z otoczeniem za pomocą fal elektromagnetycznych (głoacutewnie w

podczerwieni)

gdzie σ=5670310-8 W(m2K4) jest stałą Stefana-Boltzmanna ε jest zdolnością

emisyjną ciała (0 do 1 może zależeć od długości fali) S jest powierzchnią ciała a

T jego temperaturą

4STPprom

PROCESY TERMODYNAMICZNE

Przypadki szczegoacutelne procesoacutew termodynamicznych

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przemiana adiabatycznaWarunek (brak wymiany ciepła z otoczeniem)

Wynik (układ wykonuje pracę kosztem energii wewnętrznej albo praca

wykonywana nad układem zwiększa jego Ew)

0QWdEw

Stała objętość (dV=0)

Warunek (nie ma zmiany objętości więc układ nie wykonuje pracy)

Wynik (układ pobiera lub oddaje ciepło i zwiększa lub zmniejsza swoją Ew)

0WQdEw

Cykl zamkniętyWarunek (energia wewnętrzna jako funkcja stanu zależy tylko od stanu

początkowego i końcowego)

Wynik (wypadkowa praca wykonana przez układ jest roacutewna pobranemu ciepłu

albo praca wykonana nad układem powoduje oddanie ciepła)

0wdE

WQ

Rozprężanie swobodneWarunek (adiabatyczne rozprężanie bez zmiany ciśnienia)

Wynik (energia wewnętrzna pozostaje niezmieniona w praktyce proces

nierealizowalny ze względu na brak roacutewnowagi termodynamicznej między stanami

przejściowymi wynikający ze zmian ciśnienia)

0 WQ

0wdE

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przewodnictwo cieplne

Zbiornik gorący TG

Zbiornik zimny TD

Q Izolator k Q L

L

TTkS

t

QP DG

przew

Substancja k [W(mK)]

Stal nierdzewna 14

Aluminium 235

Miedź 401

Srebro 428

Powietrze (suche) 0026

Szkło okienne 10

Drewno sosnowe 011

Wełna mineralna 0043

Pianka poliuretanowa 0024

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Konwekcja (unoszenie)

Kiedy płyn (woda gaz) znajduje się w kontakcie z ciałem o wyższej temperaturze

część płynu przylegająca do gorącego ciała ogrzewa się i zwiększa swą objętość co

prowadzi do spadku gęstości i w efekcie istnienia sił wyporu porusza się a w jej

miejsce napływa kolejna porcja płynu

(Przykłady płomień świecy prądy konwekcyjne wykorzystywane przez szybowce konwekcja

energii na Słońcu)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Promieniowanie cieplneWymiana ciepła z otoczeniem za pomocą fal elektromagnetycznych (głoacutewnie w

podczerwieni)

gdzie σ=5670310-8 W(m2K4) jest stałą Stefana-Boltzmanna ε jest zdolnością

emisyjną ciała (0 do 1 może zależeć od długości fali) S jest powierzchnią ciała a

T jego temperaturą

4STPprom

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Przewodnictwo cieplne

Zbiornik gorący TG

Zbiornik zimny TD

Q Izolator k Q L

L

TTkS

t

QP DG

przew

Substancja k [W(mK)]

Stal nierdzewna 14

Aluminium 235

Miedź 401

Srebro 428

Powietrze (suche) 0026

Szkło okienne 10

Drewno sosnowe 011

Wełna mineralna 0043

Pianka poliuretanowa 0024

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Konwekcja (unoszenie)

Kiedy płyn (woda gaz) znajduje się w kontakcie z ciałem o wyższej temperaturze

część płynu przylegająca do gorącego ciała ogrzewa się i zwiększa swą objętość co

prowadzi do spadku gęstości i w efekcie istnienia sił wyporu porusza się a w jej

miejsce napływa kolejna porcja płynu

(Przykłady płomień świecy prądy konwekcyjne wykorzystywane przez szybowce konwekcja

energii na Słońcu)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Promieniowanie cieplneWymiana ciepła z otoczeniem za pomocą fal elektromagnetycznych (głoacutewnie w

podczerwieni)

gdzie σ=5670310-8 W(m2K4) jest stałą Stefana-Boltzmanna ε jest zdolnością

emisyjną ciała (0 do 1 może zależeć od długości fali) S jest powierzchnią ciała a

T jego temperaturą

4STPprom

MECHANIZMY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

Konwekcja (unoszenie)

Kiedy płyn (woda gaz) znajduje się w kontakcie z ciałem o wyższej temperaturze

część płynu przylegająca do gorącego ciała ogrzewa się i zwiększa swą objętość co

prowadzi do spadku gęstości i w efekcie istnienia sił wyporu porusza się a w jej

miejsce napływa kolejna porcja płynu

(Przykłady płomień świecy prądy konwekcyjne wykorzystywane przez szybowce konwekcja

energii na Słońcu)

Dr hab inż Władysław Artur Woźniak

Promieniowanie cieplneWymiana ciepła z otoczeniem za pomocą fal elektromagnetycznych (głoacutewnie w

podczerwieni)

gdzie σ=5670310-8 W(m2K4) jest stałą Stefana-Boltzmanna ε jest zdolnością

emisyjną ciała (0 do 1 może zależeć od długości fali) S jest powierzchnią ciała a

T jego temperaturą

4STPprom