Elementy kinetycznej teorii gazów i termodynamiki

Elementy kinetycznej teorii gazów i termodynamiki

Dział V

ZSZ Bartosz Jabłonecki

Podstawowe założenia teorii kinetyczno-molekularnej budowy ciał.

Wszystkie ciała zbudowane są z cząsteczek (molekuł).

Cząsteczki pozostają w bezustannym, chaotycznym ruchu, zwanym ruchem cieplnym.



Model gazu doskonałego: ilość molekuł, z których składa się gaz

jest bardzo duża odległości między cząsteczkami są

bardzo duże w porównaniu z ich rozmiarami, cząstki traktujemy jako bezwymiarowe punkty

cząsteczki poza zderzeniami nie oddziałują ze sobą



cząsteczki znajdują się w ciągłym chaotycznym ruchu, jednak od zderzenia do zderzenia poruszają się ruchem jednostajnym prostoliniowym

średnia energia kinetyczna wszystkich cząsteczek jest proporcjonalna do temperatury gazu



Doświadczenia potwierdzające słuszność podstawowych założeń teorii kinetyczno-molekularnej budowy ciał: dyfuzja, parowanie, ruchy Browna.


Mikroskopowy obraz gazu.

Analiza przykładowego gazu- 1cm3 tlenu, ciśnienie normalne i temp.

0oC

liczba cząsteczek

00000000002700000000

1027 18

N




0oC

masa jednej cząsteczki

g

gm

0005300000000000000000000,0

1053 24




0oC

szybkości cząsteczek

s

mv

s

mv

s

mv

śr 4252500

100

max

min




0oC

cząsteczki zajmują tylko 1/100 przestrzeni1/100




0oC

cząsteczka zderza się w czasie 1s

4000000000

4 razymiliardy


Temperatura.

Temperaturę można wyrażać w skali Celsjusza i w skali Kelwina.

100

0

-273

373

273

0

t[oC] T[K]

zero absolutne

wrzenie wody

topnienie lodu


Temperatura.

Każda cząsteczka gazu posiada pewną energię kinetyczną, a ponieważ te energie są różne, wprowadzamy średnią energię kinetyczną, przypadająca na jedną cząsteczkę.

gdzie n to liczba cząsteczekn

EEEE ostkkk

ksr.21


Temperatura.

Między średnią energią kinetyczną cząsteczek gazu a temperaturą gazu występuje zależność proporcjonalności.

TEksr ~


Temperatura - zadania.

Zad. 1. Wyraź w skali Kelwina temperaturę: 36,6oC, 15oC, 100oC, 53oC, -20oC.


Temperatura - zadania.

Zad. 2. Wyraź w skali Celsjusza temperaturę: 10K, 273K, 383K, 253K, 203K.


Energia wewnętrzna.

Energią wewnętrzną U ciała nazywamy sumę wszystkich rodzajów energii wszystkich cząsteczek tego ciała.

nEEEU 21


Energia wewnętrzna.

Energia wewnętrzna gazu doskonałego jest sumą energii kinetycznych wszystkich N cząsteczek tego gazu.

ksr

razyn

ksrksrksr

knkk

ENU

EEEU

EEEU

21


Ciepło - proces wymiany energii wewnętrznej.

Ciepło Q przekazywane przez układ o temperaturze wyższej ciału o temperaturze niższej jest równe zmianie energii wewnętrznej tego ciała.

T1 T2Ciepło

Q 21 TT


Pierwsza zasada termodynamiki.

Przyrost energii wewnętrznej gazu może nastąpić w wyniku: wykonanej nad nim pracy, dostarczonego do niego ciepła.



I zasada termodynamikiPrzyrost energii wewnętrznej ciała jest równy sumie dostarczonego ciału ciepła Q i wykonanej nad nim pracy W.

WQU

U



Zad. 1. Sprężając gaz w cylindrze, wykonano nad nim pracę 2000J. O ile wzrosła energia wewnętrzna gazu, jeżeli podczas sprężania gaz oddał do otoczenia ciepło równe 500J.



Zad. 2. Gaz ogrzano dostarczając mu ciepła w ilości 50kJ a jego początkowa energia wewnętrzna wynosiła 20kJ. Wyznacz jego energię wewnętrzną wiedząc, że wykonał on pracę równą 30kJ.


Silnik cieplny.

Schemat silnika cieplnego

21 QWQ

W

2Q1Q1T 2T

21 TT


Silnik cieplny.

Sprawność silnika cieplnego:

gdzie (-eta) - symbol sprawności,W - praca wykonana, Q - ciepło pobrane

%1001

Q

W


Silnik cieplny.

pamiętając, że:

to sprawność silnika cieplnego możemy wyrazić za pomocą wzoru:

2121 QQWQWQ

%1001

21

Q

QQ


Silnik cieplny.

Idealny silnik cieplny Carnota (pracuje bez strat energii):

22

11

TQ

TQ

%1001

21

T

TT


Silnik cieplny.

Czy istnieje silnik cieplny pracujący ze 100% sprawnością?

%1001

21

T

TT

KT 02 temperatura zera bezwzględnego

czyli -273oC


Silnik cieplny - zadania.

Zad. 1. Oblicz sprawność silnika cieplnego wiedząc, że w jednym cyklu źródło ciepła oddało ciepło w ilości 600J i wykonał on pracę 200J.


Silnik cieplny - zadania.

Zad. 2. Oblicz sprawność silnika cieplnego pracującego między temperaturami 600oC, a 100oC. (Pamiętaj o zamianie jednostek na podstawowe.)


Rzeczywiste silniki cieplne

Ze względu na rodzaj zastosowanego czynnika roboczego rozróżniamy silniki cieplne: parowe, spalinowe.



Ze względu na budowę rozróżniamy silniki: tłokowe, wirowe, odrzutowe.



Zasada działania silnika spalinowego czterosuwowego z zapłonem iskrowym.

spalanie wydechsprężaniessanie

zawór ssący zawór wydechowy

tłok

iskra


Zasada zachowania energii całkowitej.

Przykład przemian energii

zapora wodna

turbina wodna

prądnica

transformatorpodnoszący napięcie

transformatorobniżającynapięcie

silnikelektryczny

energiamechaniczna

grzejnikelektryczny

energiawewnętrzna

żarówka

energiapromieniowania


Zasada zachowania energii całkowitej.

Cały zasób energii, suma wszystkich rodzajów energii u układzie izolowanym (nie wymieniającym energii z otoczeniem) pozostaje niezmieniona - jest stała.

KONIEC

Bibliografia

R.Rozenbajgier i E. Misiaszek

Fizyka z astronomią dla zasadniczej szkoły zawodowej

Kraków 2003, ZamKor

www.fizyka.iss.com.pl

Documents

Elementy kinetycznej teorii gazów i termodynamiki