WYKA
ADY
z
Termodynamiki i techniki cieplnej
WYKA
AD 1
1
Literatura podstawowa
2
Literatura uzupełniająca
[1] Szamotulski J. W., Kałuszko D.: Jednostki SI, Wyd.  Alfa , Warszawa 1983.
[2] Kruszyński S., Boryca J., Krężołek I., Wyczólkowski R., Janda T.: Ćwiczenia laboratoryjne z
Termodynamiki i techniki cieplnej, Skrypt SWPCz, Częstochowa 2006.
[3] Pastucha L., Mielczarek E.: Podstawy termodynamiki technicznej, Wyd. Politechniki Częstochowskiej,
Częstochowa 1998.
[4] Szargut J.: Termodynamika, PWN, Warszawa 1974.
[5] Senakara T.: Obliczenia cieplne pieców grzewczych w hutnictwie,  Śląsk , Katowice 1991.
[6] Szargut J., Guzik A., Górniak H.: Programowany zbiór zadań z termodynamiki technicznej, PWN,
Warszawa 1979.
[7] Radwański E.: Wstęp do techniki cieplnej, PWN, Warszawa 1971.
[8] Ochęduszko S., Szargut J., Górniak H., Guzik A., Wilk S.: Zbiór zadań z termodynamiki technicznej,
PWN, Warszawa 1968.
[9] Rażnjevicz K.: Tablice cieplne z wykresami, WNT, Warszawa 1966.
[10] Ochęduszko S.: Teoria maszyn cieplnych, PWT, Warszawa 1957.
[11] Szargut J.: Teoria procesów cieplnych, PWN, Warszawa 1973.
3
WIADOMOŚCI WST
PNE
PRZEDMIOT TERMODYNAMIKI
Termodynamika to dział nauki zajmujący się badaniem energetycznych efektów wszelkich
przemian fizycznych i chemicznych, które wpływają na zmiany energii wewnętrznej
analizowanych układów.
Termodynamika nie zajmuje się wyłącznie przemianami cieplnymi, lecz także efektami
energetycznymi reakcji chemicznych, przemian z udziałem jonów, przemianami fazowymi, a
nawet przemianami jądrowymi.
Rodzaje termodynamiki:
�� klasyczna,
�� statystyczna,
�� techniczna,
�� chemiczna,
�� procesów nierównowagowych.
4
Termodynamika klasyczna, nazywana też fenomenologiczną, zajmuje się makroskopowymi,
równowagowymi zjawiskami termodynamicznymi w oparciu o aksjomaty poparte
doświadczeniami. Nauka ta zajmuje się układami w stanie równowagi, w związku z czym nie
zajmuje się ich zmiennością w czasie. Zajmuje się badaniem zjawisk tylko z punktu widzenia
energetycznych efektów makroskopowych, nie wnikając w naturę tych przemian na poziomie
pojedynczych cząsteczek. Opisuje je za pomocą prostszych pojęć, możliwych do wyznaczania
za pomocą pomiarów. Pojęciami tymi są: ciepło, temperatura, praca, ciśnienie itp.
Termodynamika statyczna wykorzystuje rachunek prawdopodobieństwa przy badaniu
rozkładów parametrów mikroskopowych oraz poszukuje wartości średnich.
W zaawansowanej formie termodynamika posługuje się metodami statystycznymi, co oznacza,
że własności ciał są wyrażane przez wartości średnie związane z ruchem atomów i cząsteczek -
prędkość średnia cząsteczek, średnia energia itp.
Termodynamika techniczna służy analizie wymiany ciepła (przewodzenie, konwencja,
przejmowanie, przenikanie) oraz zmianie energii cieplnej w inne rodzaje energii.
5
Termodynamika chemiczna to dział nauki z pogranicza fizyki i chemii (zaliczany do chemii
fizycznej) badająca energetyczne aspekty reakcji chemicznych.
Termodynamika chemiczna stosuje aparat matematyczny i pojęciowy wypracowany przez
termodynamikę ogólną. Posługuje się wszystkimi funkcjami stanu znanymi w termodynamice, a
zwłaszcza entropią, entalpią i energią swobodną.
Oprócz ogólnych funkcji stanu termodynamika chemiczna wypracowała szereg pojęć
charakterystycznych tylko dla niej takich jak: entalpia reakcji, entropia reakcji, standardowa
entalpia tworzenia związku chemicznego, molowe ciepło właściwe itp.
Termodynamika procesów nierównowagowych służy analizie przekształceń w dziedzinie
zjawisk krzyżowych między różnymi rodzajami energii a energią cieplną
Współczesna termodynamika tłumaczy zjawiska cieplne w oparciu o tzw. teorię kinetyczno -
molekularną (nazywaną też teorią kinetyczno - cząsteczkową). Oznacza to, że zjawiska
związane ze zmianami temperatury dają się wytłumaczyć jako konsekwencja ruchu i
wzajemnych oddziaływań atomów i cząsteczek.
6
UKA
ADY JEDNOSTEK MIAR
Teoretycznie jednostki miar dla różnych wielkości można by dobierać w sposób dowolny.
Utrudniałoby to jednakże znacznie prowadzenie pomiarów jak i obliczeń tych wielkości w skali
globalnej. Stworzyło to potrzebę ustalenia układów jednostek miar. Znanych jest kilka układów
jednostek miar, które ukształtowały się na przestrzeni lat.
Do najbardziej rozpowszechnionych układów jednostek miar należy zaliczyć:
�� Układ SI (franc. SystŁme International d'Unit�s) - Międzynarodowy Układ Jednostek Miar
zatwierdzony w 1960 (póz
niej modyfikowany) przez Generalną Konferencję Miar, w
Polsce układ SI obowiązuje od 1966.
�� Układ jednostek miar CGS nazywany bezwzględnym układem jednostek. Jednostki
podstawowe: centymetr (cm), gram (g), sekunda (s).
�� Układ jednostek miar MKS. Jednostki podstawowe: metr (m), kilogram (kg), sekunda (s).
�� Układ jednostek miar MKSA. Jednostki podstawowe: metr (m), kilogram (kg), sekunda
(s), amper (A). Jest rozszerzeniem układu MKS o wielkości elektryczne.
�� Układ jednostek miar MTS. Jednostki podstawowe: metr (m), tona (t), sekunda (s).
�� Układ jednostek miar ciężarowy. Jednostki podstawowe: metr (m), kilogram siły (kG),
sekunda (s).
Obowiązującym obecnie układem jest Układ SI, który zastąpił wszystkie inne układy jednostek.
7
WZORZEC JEDNOSTKI MIARY
Wzorzec jednostki miary (inaczej etalon) - przyrząd pomiarowy, materiał odniesienia lub
układ pomiarowy przeznaczony do zdefiniowania, zrealizowania, zachowania lub odtworzenia
jednostki miary albo jednej lub wielu wartości pewnej wielkości i służący jako odniesienie.
Istnieją 2 główne klasy wzorców jednostek miar:
�� Definiowane na podstawie obiektywnych wartości związanych ze znanymi zjawiskami
fizycznymi, możliwe zatem do odtworzenia pod warunkiem posiadania odpowiedniego
wyposażenia. Przykładem jednostki tego typu może być metr, ustalony jako ułamek
długości południka paryskiego (póz
niej definicja została zmieniona na równoważną, jednak
znacznie precyzyjniejszą, opartą o prędkość światła)
�� Ustalone umownie (wzorzec materialny), dla których wzorzec jest jednocześnie definicją.
Przykładem jednostki tego typu jest kilogram, choć trudności związane ze stabilnością tak
definiowanej miary i postęp techniki zachęcają do ustalenia nowej definicji opartej na
powszechnie dostępnych, mierzalnych wartościach.
8
JEDNOSTKI UKA
ADU SI
Wprowadzenie Układu SI pozwoliło na ujednolicenie jednostek miar w skali międzynarodowej.
Punktem wyjścia dla stosowanego układu jednostek są jednostki podstawowe, które zestawiono
w tabeli 1.1. Nie da się jednej jednostki podstawowej otrzymać z drugiej jednostki podstawowej
za pomocą jakiegoś wzoru. Poza tym każda jednostka podstawowa jest ustalana w oparciu o
fizycznie istniejące ciało, lub doświadczenie.
TABELA 1.1
Jednostki podstawowe Układu SI [1]
Lp. Nazwa Nazwa Skrót
wielkości jednostki literowy
1 długość metr m
2 masa kilogram kg
3 czas sekunda s
4 natężenie prądu amper A
5 temperatura kelwin K
6 ilość substancji mol mol
7 światłość kandela cd
z
ródła światła
9
Jednostka długości - metr (1m) - jest to jedna 1650763,73 długości fali w próżni
promieniowania odpowiadającemu przejściu między poziomem 2 p10 a 5 d5 atomu kryptonu 86
(86 Kr).
1 m =10 dm =100 cm =1000 mm
Międzynarodowy wzorzec jednostki miary długości (do 1960 roku) - 1 metr; wykonany ze stopu
platyny z irydem.
10
Jednostka masy - kilogram (1 kg) - jest to masa międzynarodowego wzorca znajdującego się w
Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w Sevres pod Paryżem.
1 kg =100 dg =1000 g =1000000 mg
Jest to obecnie jedyna jednostka podstawowa posiadająca przedrostek (kilo), jak również jedyna,
dla której podstawą definicji jest określony przedmiot, a nie odwołanie się do stałych
fizycznych. Dawniej za wzorzec był przyjmowany jeden litr wody o temperaturze czterech
stopni Celsjusza przy ciśnieniu normalnym.
W 1901 r. z kolei 3. Konferencja zmieniła definicję litra na objętość jaką zajmuje 1 kilogram
wody destylowanej w temperaturze 3,98�C przy ciśnieniu 1 atm = 760 mm Hg (1013,25 hPa).
Zależności między litrem i kilogramem usunięto w 1964 r., na 12. Konferencji.
Pojawiają się propozycje, aby wzorzec kilograma oprzeć na stałych fizycznych (masie
określonej liczby atomów konkretnego izotopu), ale na razie taka definicja zapewniłaby
mniejszą dokładność wzorca, ponieważ pomiar masy za pomocą wagi jest dokładniejszy niż
możliwość policzenia atomów.
11
Wzorzec kilograma, walec składający się z 90 procent platyny i dziesięciu procent irydu.
12
Jednostka czasu - sekunda (1 s) - jest to czas równy 9192631770 okresów promieniowania
odpowiadającemu przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego
atomu cezu 133 ( 133 Cs) (dawniej 1:31556625,9747 część roku zwrotnikowego 1900).
1 h =60 min =3600 s
13
Jednostka natężenia prądu - amper (1A) - jest to natężenie takiego prądu stałego, który płynąc
w dwu nieskończenie długich, nieskończenie cienkich przewodach prostoliniowych
umieszczonych równolegle w próżni w odległości 1m od siebie wywołałby miedzy nimi siłę
magnetyczną o wartości 2��10-7 N na każdy metr długości przewodnika.
1 A =1000 mA
Do definicyjnego wyznaczenia jednostki służy waga prądowa. Dokładnością ustępuje jednak
kalibratorom prądu i w praktyce jest przez nie wyparta.
Schemat wagi prądowej
14
Jedno z ramion wagi obciążone jest odważnikiem na który działa siła zależna od masy
odważnika i przyspieszenia ziemskiego: F1 = mg.
Drugie z ramion obciążone jest cewką umieszczoną wewnątrz innej, nieruchomej cewki. Obie
cewki połączone są elektrycznie w sposób szeregowy i zasilone ze z
ródła prądowego. Przepływ
prądu przez tak umieszczone cewki wywołuje powstanie siły, nazywanej elektrodynamiczną: F2.
Ta siła porusza cewką ruchomą zgodnie ze wzorem: F2 = cI2. Współczynnik c zależy od
geometrii cewek.
W stanie równowagi obie siły są równe:
F1 = F2
mg = cI2
Zatem po przekształceniu mamy:
15
Jednostka temperatury termodynamicznej - kelwin (1 K) - jest to 1/273,16 temperatury punktu
potrójnego wody. Stosuje się do wyrażania temperatury termodynamicznej T i różnicy
temperatur "T i "t.
1 K = 1�C T = t + 273,16 K
x�C = 5/9. (yF-32) 300F=5/9. (300-32) �C=148,9�C
Pomiary temperatury - historia
�� II w p.n.e., Galen  cztery stopnie zimna, cztery stopnie gorąca, stopień zerowy
�� ok. 1600, Galileusz  termoskop
Termoskop
16
�� ok. 1650, Florencka Akademia Nauk  termometr, bez wartości liczbowych
�� 1669, H. Fabri  propozycja stałych punktow termometrycznych: temperatura śniegu i
temperatura największego upału w lecie
�� 1693, C. Rinaldini  temperatura topniejącego lodu i wrzącej wody
Skala Fahrenheita:
�� 1715
" 0 �F  mieszanina wody, lodu i chlorku amonu lub soli
" 100 �F  temperatura żony
�� 1724
" 0 �F  mieszanina wody, lodu i chlorku amonu lub soli
" 32 �F  mieszanina wody i lodu
�� 1742, skala Celsjusza:
 100 �C  temperatura topnienia lodu
 0 �C  temperatura wrzenia wody
 podział przedziału na 100 części
�� 1850  odwrocenie skali (Linneusz, Stromer):
 0 �C  temperatura topnienia lodu
 100 �C  temperatura wrzenia wody
�� temperatura ciśnienia zerowego jest taka sama dla wielu rożnych gazów  podstawa skali
Kelvina
17
Jednostka ilości substancji - mol (1 mol) - jest to ilości materii zawierającej tyle samo
elementów ile jest atomów zawartych w 0,012 kg czystego nuklidu węgla C12.
W obliczeniach technicznych najczęściej stosowana jest jednostka większa 1kmol.
Jednostka światłości z
ródła światła - kandela (1 cd) - jest to światłość, jaka ma w danym
.
kierunku z
ródło emitujące monochromatyczne promieniowanie o częstotliwości 540 1012 Hz i
mające w tym kierunku wydajność energetyczną 1/683 W/sr.
W układzie SI występują dwie jednostki uzupełniające (tabela 1.2) odnoszące się do rozważań
geometrycznych. W dużym stopniu są one równoważne wielkości niemianowanej, czyli
jedynce 1. Jednak jej interpretacja różni się od typowej wielkości niemianowanej.
TABELA 1.2
Jednostki uzupełniające Układu SI [1]
Lp. Nazwa Nazwa Skrót
wielkości jednostki literowy
1. kąt płaski radian rad
2. kąt steradian sr
przestrzenny
18
Jednostka kąta płaskiego - radian (1 rad)  jest to kąt między dwoma promieniami okręgu
wycinającymi z tego okręgu łuk o długości równej promieniowi.
19
Jednostka kąta przestrzennego - steradian (1 sr)  jest to kąt bryłowy o wierzchołku w środku
kuli, wycinający na powierzchni kuli obszar o polu równym kwadratowi promienia tej kuli.
Graficzne okeślenie steradiana
20
Jednostki pochodne układu SI to te, które można wyrazić poprzez jednostki podstawowe i
uzupełniające. Jednostek pochodnych jest bardzo wiele. W termodynamice stosowane są
najczęściej:
Jednostka powierzchni - metr kwadratowy (1m2) jest to powierzchnia kwadratu o boku 1 m.
A =� a2 , 1m ��1m =� 1m2
1 m2 =100 dm2 =10000 cm2 =1000000mm2
Jednostka objętości - metr sześcienny (1 m3) - jest to objętość sześcianu o boku 1 m.
V =� a3, 1m ��1m ��1m =� 1m3
1 m3 =1000 dm3 =1000000 cm3 =1000000000 mm3
Objętość gazu podaje się w m3 umownych w układzie SI czyli pod ciśnieniem 1 bara i w
temperaturze 273,16 K (um3).
W układzie technicznym objętościową ilość materii wyraża się w Nm3 (Normalny metr
sześcienny). Parametry warunków normalnych wynoszą: p0=760 mmHg=1,013.105 Pa i
T0=273,15 K (t=0�C).
21
Jednostka siły - niuton (1 N) - jest to siła, która masie 1 kg nadaje przyspieszenie 1m/s2.
m
F =� m �� a, 1kg ��1 =� 1N
s2
Jednostką stosowaną w układzie MKS jest kilogram siła (1 kG) - jest to siła, która masie 1 kg
nadaje przyspieszenie ziemskie (9,81 m / s2).
1 kG = 9,81 N
Jednostka ciśnienia - paskal (1Pa) - jest to prostopadły nacisk siły 1 N na powierzchnię 1 m2.
F 1N
p =� , =� 1Pa
A 1m2
Inne jednostki ciśnienia stosowane w praktyce to atmosfera fizyczna (atm), atmosfera techniczna
(at), wysokość słupa cieczy (mm H2O, mm Hg).
1 at = 1 kG/cm2 = 10000 mm H2O =735,68 mm Hg =98100 Pa =0,981 bar =0,968 atm
1 atm =760 mm Hg =1,013.105 Pa =1,013 bar =10332 mm H2O =1,033 at
1 bar =105 Pa =1,02 .104 mm H2O =750,12 mm Hg =0,987 atm =1,02 at
1 mm H2O = 9,807 Pa = 0,073556 mmHg = 10-4 at = 9,68.10-5 atm = 9,807.10-5 bara
1 mmHg = 13,595 mm H2O = 133,32 Pa = 13,595 .10-4 at = 131,6.10-5 atm = 133,32.10-5 bara
22
Jednostka pracy, energii, ilości ciepła - dżul (1 J) jest to praca wykonana siłą 1 N na drodze 1
m w kierunku działania tej siły.
E =� F �� s, 1N ��1m =� 1J
Jednostką ciepła jest również kilokaloria (kcal). Jest to ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1kg
wody na poziomie morza pod ciśnieniem 1atm od temperatury 14,5 oC do 15,5 oC.
1 kcal = 4,187 kJ 1 kJ = 0,239 kcal
Jednostka mocy - wat (1 W) - jest to praca 1 J wykonana w czasie 1 s.
E 1J
N =� , =�1W
t� 1s
Moc, szczególnie silników pojazdów, wyrażana jest często w KM (koniach mechanicznych).
1 KM = 736 W= 0,736 kW.
Prędkość - jest to stosunek drogi do czasu.
s 1m m
w =� , =� 1
� 1s s
23
Przyspieszenie - jest to przyrost prędkości do czasu, w którym ten przyrost nastąpił.
m
1
"w m
s
a =� , =�1
"� 1s s2
Przyspieszenie ziemskie wynosi g = 9,81 m/s2.
Gęstość - jest to stosunek masy do objętości.
m 1kg kg
r� =� , =�1
V 1m3 m3 �
Objętość właściwa - jest to odwrotność gęstości.
1 V 1m3 m3
� =� =� , =� 1
� m 1kg kg
Ciężar właściwy - stosunek ciężaru ciała do jego objętości.
G 1kG kG N
ł =� , =� 1 =� 9,81
V 1m3 m3 m3
1 kG jest to siła, która masie 1 kg nadaje przyspieszenie ziemskie g=9,81 m/s2.
24
Strumień masowy  masa substancji przepływająca w jednostce czasu.
��
m 1kg kg
m =� , =� 1
� 1s s
Strumień objętościowy  objętość substancji przepływająca w jednostce czasu.
��
V 1m3 m3
V =� , =�1
� 1s s
��
V0
1um3 um3
V =� , =� 1
0
� 1s s
Pojemność cieplna  iloraz elementarnej ilości ciepła �Q pochłoniętego przez substancję w
dowolnym procesie i odpowiadającej temu zmiany temperatury substancji.
D� Q J
W =� =� m ��c,
D�T K
Pojemność cieplna zależy od masy substancji, jej składu chemicznego, stanu
termodynamicznego i rodzaju procesu, w którym ciepło jest pochłaniane.
25
Ciepło właściwe (pojemność cieplna właściwa) - jest to ilość ciepła potrzebna do ogrzania
jednostki ilości substancji o 1 K. Ilość substancji wyraża się: masą (kg), objętością (m3) i ilością
kilomoli (kmol).
c  ciepło właściwe, J/(kg .K) lub J/(m3 .K) lub J/(kmol.K)
Aby nie operować tysiącami, milionami i miliardami do opisu bardzo dużych i bardzo małych
wielkości, stosuje się przedrostki, które zostały zestawione w tabeli 1.3.
26
TABELA 1.3
Stosowane przedrostki i mnożniki [1]
Przedrostek Skrót Liczba, przez którą mnożymy jednostkę Przykład
atto a 10-18 as (attosekunda)
femto f 10-15 fm (femtometr)
piko p 10-12 pF (pikofarad)
nano n 10-9 nm (nanometr)
mikro 10-6
m� m�m (mikrometr)
mili m 10-3 mg (miligram)
decy d 10-1=0,01 dm (decymetr)
centy c 10-2=0,01 cm (centymetr)
deka da 10 dag (dekagram)
hekto h 102=100 hl (hektolitr)
kilo k 103=1000 kg (kilogram)
mega M 106 MW (megawat)
giga G 109 GHz (gigaherc)
tera T 1012 -
peta P 1015 -
exa E 1018 -
zetta Z 1021 -
jetta Y 1024 -
27
Anglosaskie jednostki miar
Jednostki długości
�� 1 cal (inch) [in] = 3 barleycorns (3 ziarna jęczmienia) = 25,4 mm (cal międzynarodowy)
�� 1 stopa (foot) [ft] = 12 cali = 0,3048 m
�� 1 jard (yard) [yd] = 3 stopy = 0,9144 m
�� 1 pręt pole, perch lub rod [rd] = 5,5 jarda = 5,0292 m
�� 1 łańcuch (chain) [ch] = 4 rods = 20,1168 m
�� 1 furlong [fur] = 10 chains = 660 stóp = 201,168 m
�� 1 mila (mile) [mi] = 8 furlongów = 1609,344 m
�� 1 liga (league) = 3 mile = 4828,032 m
28
 29
Jednostki masy
�� 1 gran (grain) [gr] = 64,79891mg
�� 1 dram [dr] = 27 i 11/32 grains H" 1,77184519g
�� 1 uncja (ounce) [oz] = 16 drams
�� 1 funt (pound) [lb] = 16 uncji = 256 drams = 7000 grains = 453,59237g
�� 1 kamień (stone) [st] = 14 pounds = 6,35 kg
�� 1 quarter = 2 stones = 28 pounds = 12,7 kg
�� 1 cetnar (hundredweight) [cwt] = 4 quarters = 112 pounds = 50,8 kg
�� 1 tona angielska (UK ton) [t] = 1 US long ton = 20 hundredweight = 2240 pounds = 1016
kg
�� 1 tona amerykańska (US ton lub short ton) [t] = 2000 pounds = 907 kg
30
PODSTAWOWE POJ
CIA W TERMODYNAMICE
Stan termodynamiczny to wartość wszystkich funkcji stanu (np. ciśnienie, objętość,
temperatura, masa, entropia, energia wewnętrzna) układu termodynamicznego w określonej
chwili. Przejście z jednego stanu termodynamicznego do drugiego nazywane jest przemianą
termodynamiczną. Zmiana stanu układu pozostającego w równowadze wymaga impulsu
energetycznego z zewnątrz.
W stanie równowagi wartości funkcji stanu są ze sobą związane równaniem stanu. Układ, który
nie znajduje się w równowadze dąży do stanu, w którym równowaga jest przywrócona, o ile
czynniki zewnętrzne nie stoją temu na przeszkodzie.
Układ termodynamiczny to dowolnie wybrana część fizycznego wszechświata. Typowe układy
termodynamiczne to np.: naczynie z gazem lub cieczą, w którym zachodzi jakaś przemiana, lub
np. obszar, dla którego musimy obliczyć przepływy ciepła.
Dzięki ograniczeniu danego zjawiska do układu można osobno rozpatrywać procesy wewnątrz
układu i procesy wymiany energii między układem i otoczeniem.
31
Do najprostszych układów termodynamicznych można zaliczyć: Zbiornik z gazem, zbiornik z
cieczą lub bardziej złożony jest układ cieczy i ciała stałego.
32
Układy termodynamiczne dzieli się na:
1. Układ termodynamicznie otwarty to taki układ, który może wymieniać masę i energię z
otoczeniem.
2. Układ termodynamicznie zamknięty to taki układ, który nie wymienia masy a może z
otoczeniem wymieniać energię. Układ zamknięty może być:
�� zamknięty adiabatycznie (nie może wymieniać energii na sposób ciepła - np. na skutek
różnicy temperatur - układ jest izolowany termicznie), ale może wymieniać energię na
sposób pracy (np. ruch tłoka),
�� zamknięty diatermicznie (może wymieniać energię na sposób ciepła i pracy),
3. Układ termodynamicznie izolowany to taki układ, który nie może wymieniać masy i
energii z otoczeniem.
33
Proces odwracalny to proces termodynamiczny, którego kierunek można odwrócić poprzez
prostą zmianę wartości jednej lub więcej zmiennych stanu termodynamicznego. Procesy
odwracalne zachodzą bez żadnej zmiany entropii układu, natomiast inne funkcje stanu mogą
ulegać zmianom. Procesy odwracalne mogą zachodzić tylko wtedy, gdy układ jest odizolowany
albo znajduje się w stanie równowagi z otoczeniem. Przykładem procesu odwracalnego jest np.:
adiabatyczne rozprężanie gazu.
Proces nieodwracalny jest to proces termodynamiczny, którego kierunku nie można odwrócić
przez prostą zmianę jednego lub więcej zmiennych stanu termodynamicznego (temperatura,
ciśnienie, objętość). Wszystkie procesy nieodwracalne związane są ze zmianą entropii układu.
Przykładem takiego procesu jest np.: swobodne rozprężanie gazu lub zmieszanie dwóch cieczy.
34
Proces samorzutny w termodynamice nazywany też czasem naturalnym to proces, który można
zrealizować bez konieczności wykonywania pracy nad układem.
Procesom samorzutnym towarzyszy zawsze zwiększenie entropii. Procesy, w których entropia
się zmniejsza nigdy nie są samorzutne. Wynikiem procesu samorzutnego jest zawsze wykonanie
przez układ pewnej pracy. Procesy niesamorzutne nie mogą wykonać pracy, a do ich zajścia
potrzebne jest wykonanie na nich pewnej pracy.
Samorzutność procesu nie oznacza, że proces zawsze musi zajść. Większość procesów
samorzutnych musi najpierw pokonać, wynikający z ich przebiegu kinetycznego barierę
potencjału energetycznego. Procesy te wymagają do zajścia impulsu energetycznego, ale impuls
ten jest zawsze mniejszy niż energia wyzwalana na skutek zajścia procesu. Bilans pracy takiego
procesu jest dodatni. Samorzutność procesu jest termodynamicznym wyrazem tendencji do jego
zajścia, a nie absolutną koniecznością jego zajścia.
35
Zerowa zasada termodynamiki głosi, że:
Jeśli układy A i B mogące ze sobą wymieniać ciepło są ze sobą w równowadze
termodynamicznej, i to samo jest prawdą dla układów B i C, to układy A i C również są ze sobą
w równowadze termodynamicznej. Przez równowagę termodynamiczną rozumiemy stan, który w
danych warunkach układ osiąga i już go nie zmienia.
A B
C
Rys. 1.1. Schemat zerowej zasady termodynamiki
36
Z zerowej zasady wynika istnienie temperatury empirycznej. Istnieje mianowicie taka wielkość
fizyczna �, która jest równa dla układów A i B, będących ze sobą w równowadze
termodynamicznej. W rzeczywistości takie określenie nie oznacza jeszcze znanej nam
temperatury T. Wielkość � może być dowolną funkcją T.
Zerowa zasada termodynamiki stwierdza także, że ciało w równowadze termodynamicznej ma
wszędzie tę samą temperaturę.
37
1.5. PRZYKA
ADY I ZADANIA
Zadanie 1.1. W zbiorniku z gazem panuje ciśnienie p=20 atm. Wyrazić to ciśnienie w: Pa i
barach.
Rozwiązanie:
20 atm =20 .1,013 .105 Pa =20,26 .105 Pa=2 026 000 Pa
20 atm =20 .1,013 bara =20,26 bara.
Zadanie 1.2. W piecu grzewczym panuje temperatura 2192 F. Podać temperaturę pieca
w K i �C.
Rozwiązanie:
2192F=5/9. (2192-32) �C=1200�C
1200�C+273=1473 K.
Zadanie 1.3. W akwarium znajduje się 50 litrów wody. Obliczyć ile m3 wody znajduje się w
akwarium.
Rozwiązanie:
1 litr = 1 dm3
1 dm3 = 10-3 m3
50 dm3 = 50 . 10-3 m3 =0,05 m3.
38
Zadanie 1.4. Kocioł wytwarza 20 000 kcal ciepła. Wyrazić ilość ciepła w MJ.
Rozwiązanie:
1 kcal = 4186 J
20 000 kcal = 20 000 . 4186 J = 83 720 000 J
1 J = 10-6 MJ
83 720 000 J = 83 720 000 . 10-6 MJ =83,72 MJ.
Zadanie 1.5. Silnik samochodowy ma moc 400 KM. Wyrazić moc silnika w jednostkach
układu SI.
Rozwiązanie:
1 KM = 736 W
400 KM = 736 . 400 = 294 400 W.
39