PRACA, CIEPŁO, ENERGIA

• Energia systemu jest związana z jego stanem, jest więc

funkcją stanu systemu.

• Na energię całkowitą systemu (E) składa się: energia

potencjalna (E

p

), energia kinetyczna (E

k

) i energia

wewnętrzna (U).

• E = E

p

+ E

k

+ U

Energia wewnętrzna jest sumą energii cząstek

substancji systemu i energii ich wzajemnych

oddziaływań

• Energii kinetycznej ruchu postępowego i obrotowego cząstek

• Energii kinetycznej i potencjalnej ruchu drgającego atomów w

cząsteczkach,

• Energii potencjalnej uzależnionej od wzajemnego oddziaływania

między cząsteczkami,

• Energii powłok elektronowych w atomach i jonach,

• Energii wewnątrzjądrowej

ENTALPIA

• Entalpia jest funkcją stanu wprowadzoną przez Gibbsa
• Jest sumą energii wewnętrznej układu i pracy zewnętrznej.

• I =U + pV

• Entalpia właściwa odniesiona jest do 1 kg substancji

• i = I/m lub i = u + pv

PRACA

• Praca jest miarą zmian energii układu,

• Praca nie jest parametrem stanu,

• W termodynamice na ogół nie występują siły skupione lecz siły pochodzące

od ciśnienia, które za pomocą maszyn przekształca się w skupione, np.

cylinder z tłokiem.

• Przemiana podczas której następuje wzrost objętości nosi nazwę ekspansji,

(podczas ekspansji dV>0)

• Przemiana podczas której następuje redukcja objętości nosi nazwę

kompresji, (podczas kompresji dV<0)

• Przemiana, podczas której wzrasta ciśnienie nazywamy sprężaniem (dp>0)

• Przemiana, podczas której maleje ciśnienie nazywamy rozprężaniem

(dp<0)

System cylindra z tłokiem

• Siła F = pA
• Siła wywoła przesunięcie

ds.

• Elementarna praca dL= p

A ds.

• Praca przemiany π między

stanami 1 i 2 będzie równa













2

,

1

,

2

,

1

,

2

,

1

,

2

1

)

(







V

V

dV

V

p

pdV

pAdS

L

Układ zamknięty i otwarty

• Układ termodynamicznie zamknięty to taki układ, który

nie wymienia masy z otoczeniem, natomiast może

wymieniać energię

• Układ termodynamicznie otwarty to taki układ, który

może wymieniać masę i energię z otoczeniem.

SILNIK STIRLINGA

http://www.youtube.com/watch?v=DKW83hId-6M&feature=related

I zasada termodynamiki

• W układzie zamkniętym zawierającym ciało proste zmiana

energii wewnętrznej równa jest sumie algebraicznej pracy oraz
ciepła wymienianego z otoczeniem

• dQ = dU + dL= dU + p dV

• Dla prostego układu otwartego, do którego dopływają i

odpływają strumienie masy niosące energię i dopływa ciepło, a
układ wykonuje pracę można napisać równanie bilansu energii

• Q

π1,2

+I

1

=U

2

-U

1

+I

2

+L

t π1,2

• Jeżeli warunki są ustalone i m

1

= m

2

to U

1

=U

2

i równanie ma

postać:

• Q

π1,2

=I

2

-I1+L

t π1,2

Rodzaje prac

Praca
użyteczna





1

2

0

2

,

1

0

2

,

1

1,2

u

L

V

V

p

L

L

L

















Praca absolutna
objętościowa

 





2

1

2

,

1

V

V

dV

V

p

L



Praca kompresji
otoczenia













2

1

1

2

0

0

0

V

V

V

V

p

dV

p

L

Praca
techniczna

 







2

1

2

,

1

p

p

t

dp

p

V

L



Ciepło

• Ciepło przemiany składa się z ciepła doprowadzonego z

zewnątrz oraz ciepła spowodowanego dyssypacją pracy
wewnątrz układu.

• Podobnie do pracy ciepło nie jest parametrem stanu

• Ciepło właściwe przemiany jest to stosunek ciepła

przemiany do ilości substancji uczestniczącej w przemianie
oraz do przyrostu temperatury podczas tej przemiany





1

2

2

,

1

2

,

1

T

T

m

Q

c





Pojemność cieplna w

przedziale od T

1

do T

2

Rzeczywiste ciepło przemiany przy stałym
ciśnieniu

dT

di

dT

dI

m

p

T

c

p





1

)

,

(

Rzeczywiste ciepło przemiany przy stałej
objętości

dT

du

dT

dU

m

v

T

c

v





1

)

,

(

Ciepło właściwe gazów

doskonałych

• c

p

- c

v

=R

• (M

cp

) - (M

cv

) = (MR)

Ciepło właściwe gazów

doskonałych

Entropia

•

termodynamiczna

funkcja stanu

• określająca kierunek przebiegu

procesów

spontanicznych

• Pojęcie entropii wprowadził niemiecki uczony Rudolf

Clausius.

• W praktyce stosuje się najczęściej przyrosty entropii lub

względne wartości entropii ponad stan przyjęty umownie za
zerowy.

II zasada termodynamiki

• druga zasada podaje warunki, w jakich można zamienić

ciepło na pracę oraz jak należy przeprowadzić proces:

• aby zamienić ciepło na pracę muszą istnieć dwa źródła

ciepła o różnych temperaturach,

• Sprawność termiczna procesu (obiegu silnika) nie może

osiągnąć jedności,

• w przyrodzie możliwe są tylko takie przemiany, podczas

których entropia układu wzrasta.

Ze wzoru na entropię ciepło przemiany jest

równe:

 





2

1

2

,

1

S

S

dS

S

T

Q

Interpretacja ciepła przemiany na wykresie
T-S

Egzergia

• Egzergia – maksymalna praca, jaką

układ termodynamicznie otwarty
może wykonać w danym otoczeniu
przechodząc do stanu równowagi z
otoczeniem. Otoczenie traktuje się
jako zbiornik nieużytecznej energii i
materii o stałej temperaturze.
Maksymalną energię uzyskuje się w
procesie odwracalnym.

Obieg carnota

•

Obieg jest to zespół przemian, których odwzorowanie

geometryczne w układzie parametrów stanu stanowi
krzywą zamkniętą

• Obieg Carnota - obieg termodynamiczny, złożony z dwóch

przemian izotermicznych i dwóch przemian izentropowych

• Cykl Carnota jest obiegiem odwracalnym,

• Obieg prawo bieżny jest obiegiem silnika,

• Obieg lewo bieżny jest obiegiem chłodziarki i pompy ciepła.

Nicolas Léonard Sadi Carnot (ur. 1

czerwca 1796 w Paryżu, zm. 24 sierpnia

1832, tamże)

Obieg silnika

termodynamicznego

Obieg chłodziarki i pompy

ciepła