Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
FIZ
IKA
I.
Ez egy gázos előadás lesz!
(Ideális gázok hőtana)
Dr. Seres István
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 2 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
• Kinetikus gázelmélet
• gáztörvények
• Termodinamikai főtételek
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 3 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Kinetikus gázelmélet
Az ideális gáz állapotjelzői:
Extenzív állapotjelzők
p – nyomás
T – hőmérséklet (Kelvin!)
Intenzív állapotjelzők
V – térfogat
n – molszám
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 4 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Kinetikus gázelmélet
Nyomás értelmezése:
A
Fp
dt
Id
dt
vdmamF
Rugalmas ütközés:
lendület iránya változik erő nyomás tA
vmNp
02
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 5 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Kinetikus gázelmélet
Hőmérséklet értelmezése:
Brown mozgás (Hőmozgás) Ekvipartíció tétel: Termikus egyensúlyban levő gázra
minden részecske minden szabadsági fokára azonos
energia jut
szabadsági fok: független energiatárolási lehetőségek száma
f = 3, nemesgázokra (He, Ne, Ar, …
5, kétatomos gázokra (H2, N2, O2, levegő)
6, a többi esetben
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 6 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Kinetikus gázelmélet
Hőmérséklet értelmezése:
Brown mozgás (Hőmozgás)
Részecske mozgási energiája:
kT2
3vm
2
1 2
0 M
RT
M
kAT
A
M
kT
m
kTv
3333
0
Például 27 °C-on O2 : v = 484 m/s
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 7 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Kinetikus gázelmélet
Hőmérséklet értelmezése:
Thermoszféra:
600 km 2000 °C ?!
Egy űrhajós megfőne, vagy megfagyna?
Krauskopf: The Physical Universe,McGraw-Hill
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 8 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Ideális gázok állapotegyenlete:
p·V=N·k·T
p·V=n·R·T
TR
M
mVp
n·R = N·k
n·R = n·A·k
R = A·k
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 9 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Gáztörvények p·V=n·R·T
(ha n = állandó)
állandónRT
pV Egyesített gáztörvény
p=állandó
izobár
állandóT
V
V=állandó
izochor
állandóT
p
T=állandó
izoterm
állandóVp
Gay-Lussac I. Gay-Lussac II. Boyle-Mariotte
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 10 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Gáztörvények
Adiabatikus állapotváltozás:
A hőszigetelt rendszer állapotváltozása
Poisson egyenletek:
Gyakorlatban:Nagyon gyors lefolyású folyamatok
•szifonpatron kiszúrása után a gáz tágulása
•Motorban a dugattyú összenyomja a gázt
5/3, nemesgázokra (He, Ne, Ar, …
7/5, kétatomos gázokra (H2, N2, O2, levegő)
8/6, a többi esetben
𝑝 ∙ 𝑉𝜅 = á𝑙𝑙, 𝑇 ∙ 𝑉𝜅−1 = á𝑙𝑙
𝜅 =𝑐𝑝
𝑐𝑉=
𝑓 + 2
𝑓
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 11 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Gáztörvények
p-V diagramm
p=állandó
izobár állandó
T
V
V=állandó
izochor
állandóT
p
T=állandó
izoterm
V
cpállandóVp
p
V adiabatikus
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 12 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Termodinamika I. főtétele:
U = Q + W
U - belső energia
Q – hő
W – munka
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 13 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Termodinamika I. főtétele:
Részecskék mozgásából származó összes mechanikai
energia
Q = c·m·t – (felvett vagy leadott) hő
A gázoknak folyamatfüggő a fajhője!
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 14 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Termodinamika I. főtétele:
W – munka
(ha p állandó)
A
x
F |dW| =F·dx = (p·A)·dx
|W| = p·(A·dx) = p·dV
W előjele: - ha a gáz tágul
+ ha a gáz térfogata csökken
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 15 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Termodinamika I. főtétele:
U Q W
(p-V görbe
alatti terület)
Izochor cV·m·t Q=U
0
Izobár cV·m·t cp·m·t -p·V
Izoterm 0 Q= - W
Adiabatikus cV·m·t 0 W=Q 1
2
V
VlnnRT
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 16 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Termodinamika I. főtétele
Feladat
2 dm2 alapterületű, könnyen mozgó dugattyú
mozgórésze 3 dm hosszú 27 °C-os levegőoszlopot
zár el a külső környezettől (p=105 Pa = állandó).
•Mennyi hőt kell a gázzal közölni, hogy 1 dm-el
megnőjön a hossza?
•Mennyivel nő meg eközben a belső energiája?
(cp = 996 J/kg°C, M = 29 g/mol - táblázat )
A x
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 17 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Termodinamikai körfolyamat hatásfoka
p
V
A pA
D C
B
pD
VD VC
Az ábrán látható
körfolyamatot 0,8 mol
oxigénnel (M=32 g/mol)
végeztetjük. Mekkora a
körfolyamat hatásfoka?
Adatok: pA = pB = 3·105 Pa, pC = pD = 2·105 Pa,
VA = VD = 12 liter, VB = VC = 15 liter
(cV = 653 J/kg°C – táblázat)
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 18 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Termodinamikai körfolyamat hatásfoka
p (105 Pa) V (m3) T (K)
A 3 0,012 541
B 3 0,015 677
C 2 0,015 451
D 2 0,012 361
Rn
VpT
V
A pA
D C
B
pD
VD VC
m = n·M = 0,8·32 g/mol = 25,6 g
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 19 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Termodinamikai körfolyamat hatásfoka
V
A pA
D C
B
pD
VD VC
U Q W
AB Izobár 2270 J 3170 J -900 J
BC Izochor -3780 J -3780 J 0
CD Izobár -1500 J -2100 J 600 J
DA izochor 3010 J 3010 J 0
Összesen 0 300 J - 300 J
U Q W
Izochor U=Q cV·m·T 0
Izobár cV·m·T cp·m·T -p·V
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 20 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Termodinamikai körfolyamat hatásfoka
V
A pA
D C
B
pD
VD VC
057,0J3010J2270
J300
Q
W
= 5,7 %
Megjegyzés:
W – a téglalap által határolt „terület”
(W = p · V = 105 · 0,003 = 300 J)
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 21 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Termodinamika II. főtétele
(folyamatok iránya)
• Hő csak hidegebb hely felől melegebb hely fele
áramolhat
• Nincs olyan periodikus körfolyamat, ami során a gáz
csak egy hőtartállyal áll kapcsolatban
• A hőt nem lehet 100% hatásfokkal mechanikai
munkává alakítani
• Folyamatok irányának számolhatóvá tétele: entrópia
FIZ
IKA
I.
fft.szie.hu 22 [email protected]
Ideális gázok Hőtan
Termodinamika II. főtétele
Entrópia (S)
Ahol k – Boltzmann állandó, w termodinamikai valószínűség
II. főtétel: a spontán folyamatokra:
Entrópia-változás meghatározása:
𝑆 = 𝑘 ∙ ln 𝑤
∆𝑆 ≥ 0
∆𝑆 =𝑄
𝑇, ℎ𝑎 𝑇 á𝑙𝑙𝑎𝑛𝑑ó
∆𝑆 = 𝑐 ∙ 𝑚 ∙ ln𝑇2
𝑇1, ℎ𝑎 𝑇 𝑣á𝑙𝑡𝑜𝑧𝑖𝑘