Termodynamika - (test version, not revised) pposta/azsmart/09td.pdf  Termodynamika Termodynamika

  • View
    222

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Termodynamika - (test version, not revised) pposta/azsmart/09td.pdf  Termodynamika...

Termodynamika(test version, not revised)

Petr Postapposta@karlin.mff.cuni.cz

14. listopadu 2009

Obsah

Pojmy

Termodynamicka rovnovaha

Teplota

Prvn zakon termodynamiky

Tepelna kapacita. Kalorimetricka rovnice

Prenos vnitrn energie

Pojmy

Termodynamika

TermodynamikaTermodynamika se zabyva premenami ruznych forem energiena energii vnitrn a naopak.

Nas budou zajmat predevsm tepelne jevy, ale termodynamikase uplatnuje naprklad i pri studiu chemickych reakc.

Termodynamika

Termodynamicka soustavaTermodynamickou soustavu tvor teleso nebo skupina teles,ktere zkoumame.

I plyn ve valci (tepelny motor)

I smes latek (voda a para, slitiny kovu, ...)

Vsechna telesa, ktera nejsou soucast soustavy, nazyvameokolm.Termodynamicka soustava muze byt

I otevrena (vymenuje si s okolm hmotu i energii)

I uzavrena (vymenuje si s okolm pouze energii)

I izolovana (nevymenuje si s okolm ani hmotu, ani energii)

I adiabaticky izolovana (nevymenuje si s okolm hmotu ateplo)

TermodynamikaStavove velicinyZkoumana telesa mohou mt jiny objem, jinou teplotu, mt jinechemicke slozen, jinou vnitrn strukturu. Souhrnne rkame, zese nachaz v ruznych stavech.Fyzikaln veliciny, kterymi charakterizujeme stav danesoustavy, nazyvame stavove veliciny. Naprklad jde o pocetcastic, teplotu, tlak, objem, vnitrn energii

a nektere dals

I entropie (mra neurcitosti systemu)

I entalpie (tepelna energie ulozena v mnozstv latky)

I (Helmholtzova) volna energie (cast vnitrn energie systemu, kteroulze premenit na praci)

I termodynamicky potencial (tez Gibbsuv termodynamickypotencial, volna entalpie, Gibbsova entalpie, Gibbsova volnaenergie) (cast tepelne energie v latce, kterou lze premenit na praci)

Termodynamika

Dejove (procesn) velicinyJde o veliciny, ktere popisuj dej v latce (zmenu systemu).Charakterizuj nikoliv stav latky, ale proces, kterym ke zmenestavu doslo.

Naprklad plyn muzete stlacit velmi pomalu, pritom se jehoteplota nezmen. Nebo rychle a pritom se plyn znatelne ohrejea pote pockat, az se zpet ochlad na teplotu okol. Vyslednystav je stejny, ale deje, kterym ke zmene stavu doslo, jsou jine.Typickymi dejovymi velicinami jsou

I prace

I teplo

O nich vce za chvli.

Termodynamickarovnovaha

Rovnovaha

Termodynamicka rovnovahaStav latky, ve kterem pri nemennych vnejschpodmnkach vsechny stavove veliciny zustavajkonstantn.

Zakladn princip termodynamikyKazda soustava, ktera zustava v nemennych vnejschpodmnkach, prejde samovolne do stavu termodynamickerovnovahy.

Ma to hacek: teoreticky za nekonecne dlouhou dobu. Praktickyto muze trvat od par desetin vteriny (rychla chemicka reakce)po nekolik miliard let (zivot hvezdy).

Rovnovaha

Deje v latce

I Rovnovazny dejDej, pri kterem soustava prochaz radou na sebenavazujcch rovnovaznych stavu.Lepe se poctaj.

I Nerovnovazny dejDej, ktery nen rovnovazny. (Alespon v nejake chvlisoustava nen v rovnovaznem stavu.)Tak to chod ve skutecnosti.

Nekdy dej muzeme modelovat jako rovnovazny, nekdy sepritom dopustme prlis velkych chyb.(chaoticke systemy, predpovdan pocas)

Rovnovaha

Deje v latce

I Rovnovazny dejDej, pri kterem soustava prochaz radou na sebenavazujcch rovnovaznych stavu.Lepe se poctaj.

I Nerovnovazny dejDej, ktery nen rovnovazny. (Alespon v nejake chvlisoustava nen v rovnovaznem stavu.)Tak to chod ve skutecnosti.

Nekdy dej muzeme modelovat jako rovnovazny, nekdy sepritom dopustme prlis velkych chyb.(chaoticke systemy, predpovdan pocas)

Rovnovaha

Deje v latce

I Rovnovazny dejDej, pri kterem soustava prochaz radou na sebenavazujcch rovnovaznych stavu.Lepe se poctaj.

I Nerovnovazny dejDej, ktery nen rovnovazny. (Alespon v nejake chvlisoustava nen v rovnovaznem stavu.)Tak to chod ve skutecnosti.

Nekdy dej muzeme modelovat jako rovnovazny, nekdy sepritom dopustme prlis velkych chyb.(chaoticke systemy, predpovdan pocas)

Rovnovaha

Deje v latce

I Vratny dejMuze probehnout opacne.

I Nevratny dejNemuze probehnout opacne.

Vratne deje jsou prave rovnovazne deje. Skutecne deje jsounevratne. Tento fakt oklikou vyjadruje tzv. druhytermodynamicky zakon.

Rovnovaha

Deje v latce

I Vratny dejMuze probehnout opacne.

I Nevratny dejNemuze probehnout opacne.

Vratne deje jsou prave rovnovazne deje. Skutecne deje jsounevratne. Tento fakt oklikou vyjadruje tzv. druhytermodynamicky zakon.

Rovnovaha

Deje v latce

I Vratny dejMuze probehnout opacne.

I Nevratny dejNemuze probehnout opacne.

Vratne deje jsou prave rovnovazne deje. Skutecne deje jsounevratne. Tento fakt oklikou vyjadruje tzv. druhytermodynamicky zakon.

Rovnovaha

Rovnovazny stav a pravdepodobnost vyskytuRovnovazny stav latky je stav s nejvets pravdepodobnost.

Kdyz hazte dost dlouho minc, dopadne to vzdycky zhruba stejne, pul

na pul. Stejne tak, pokud berete castice v latce, aby si samy urcily svoje

msto v n, kupodivu se rozmst vzdycky zhruba stejne.

Pravdepodobnost, ze se rozmst prave takto, je obvykle mnohem vets,

nez v jinych prpadech. Poctanm pravdepodobnosti ruznych stavu se

zabyva statisticka fyzika.

Teplota

Teplota vs. teplo

Teplota vs. teploHned na zacatek: jsou to jine veliciny!

V anglictine: heat vs. temperatureV nemcine: Warme vs. Temperatur

Teploje forma energie (pozdeji si rekneme, co je zac), kterou muzejedno teleso predat druhemu. Teplo je procesn velicina, slouzk popisu deje (predavan energie), ktery v soustave probha.

Teplotaje stavova velicina, slouz k popisu stavu latky.

Teplota vs. teplo

Teplota vs. teploHned na zacatek: jsou to jine veliciny!V anglictine: heat vs. temperatureV nemcine: Warme vs. Temperatur

Teploje forma energie (pozdeji si rekneme, co je zac), kterou muzejedno teleso predat druhemu. Teplo je procesn velicina, slouzk popisu deje (predavan energie), ktery v soustave probha.

Teplotaje stavova velicina, slouz k popisu stavu latky.

Teplota vs. teplo

Teplota vs. teploHned na zacatek: jsou to jine veliciny!V anglictine: heat vs. temperatureV nemcine: Warme vs. Temperatur

Teploje forma energie (pozdeji si rekneme, co je zac), kterou muzejedno teleso predat druhemu. Teplo je procesn velicina, slouzk popisu deje (predavan energie), ktery v soustave probha.

Teplotaje stavova velicina, slouz k popisu stavu latky.

Teplota vs. teplo

Teplota vs. teploHned na zacatek: jsou to jine veliciny!V anglictine: heat vs. temperatureV nemcine: Warme vs. Temperatur

Teploje forma energie (pozdeji si rekneme, co je zac), kterou muzejedno teleso predat druhemu. Teplo je procesn velicina, slouzk popisu deje (predavan energie), ktery v soustave probha.

Teplotaje stavova velicina, slouz k popisu stavu latky.

Teplota vs. teplo

Beznou zkusenost je, ze teplejs teleso predava teplochladnejsmu telesu, coz ma za nasledek zvysen teplotychladnejsho telesa a snzen teploty teplejsho telesa. K tomuje dulezite poznamenat dvoj:

1. Prijet energie (ve forme tepla) se nemus nutne projevitjen ve zvysen teploty. (Zahrvan vzduchu v balonu ma zanasledek jeho rozpnan.)

2. Experimentalne potvrzene jsou deje, kdy se teplejs telesoohreje od chladnejsho. Na druhou stranu, jsou to velmivyjimecne prpady a druhy termodynamicky zakonzapovda, aby se tak delo soustavne.

A ted uz ciste k teplote.

Teplota

Teplota

Teplota je to, co mer teplomer. Jak se da teplota merit?

Meren teploty

I rukou (subjektivn)Pocit chladu/tepla zmiz, kdyz ji nechate prilozenou dele.(Teplota ruky a predmetu se vyrovna.)

I teplomerem (objektivn)Muste pockat, nez se napr. ustal rtutovy sloupec.(Teplota teplomeru a predmetu se vyrovna.)

V obou prpadech se uz dale nic nedeje. Soustavaruka-predmet ci teplomer-predmet je v rovnovaze.

Teplota

Definice obecne teplotyTelesa, ktera jsou pri vzajemnem dotyku vrovnovaznem stavu, maj stejnou teplotu.

Predchoz vete se nekdy rka nulty termodynamickypostulat nebo take nulta veta termodynamiky.

Tuto teplotu (cslo) si ale muzeme skoro libovolne vymyslet. U tzv.

obecne teploty mame jen nekolik prirozenych pozadavku: za prve

tranzitivnost, to jest, pokud maj stejnou teplotu prvn a druhe teleso a

take druhe a tret teleso, pak take maj stejnou teplotu prvn a tret

teleso. Za druhe monotonii, to jest aby teplejs teleso melo vets

teplotu, fyzikalne presne: aby s rostouc vnitrn energi telesa rostla jeho

teplota. Za tret, aby nezavisela na zadnem jinem parametru systemu nez

jeho vnitrn energii.

Teplota

Od obecne teploty k teplotnm stupnicmKdybychom pouzvali ruku jako teplomer, merili bychom kazdy

jinou teplotu. Je prirozene dohodnout se na jednom

spolecnem meren teploty a stupnici, ktere budou pouzvatvsichni. Tak vznikly ruzne teploty (teplotn stupnice)pouzvane v praxi.

I Celsiova teplota

I Fahrenheitova teplota

I Reaumurova teplota

I dale Rankinova, Delisleova, Newtonova, Rmerova, ?

Tzv. termodynamicka teplota vznikla z jinych duvodu ajinym zpusobem. Pro nas pujde o nejdulezitejs teplotnstupnici.

Teplota

Celsiova teplotaCelsiova teplota (i ostatn teploty, krome termodynamicke)byly definovany pomoc standardizovaneho teplomeru (dulezitabyla jeho napln) a dvou tzv. referencnch hodnot. U Celsiovystupnice jsou to rtutovy teplomer, teplota tuhnut vody zanormalnho tlaku (stanovena na 0C) a teplota varu vody zanormalnho tlaku