Wykład z Termodynamiki
II semestr r. ak. 2002/2003
Literatura do wykładu
1. F. Reif - "Fizyka Statystyczna- PWN 1971.
2. K. Zalewski, - "Wykłady z termodynamiki fenomenologicznej i
statystycznej- PWN 1978.
3. K. Zalewski, - "Wykłady z mechaniki i termodynamiki
statystycznej dla chemików- PWN 1982.
4. C. Kittel, - "Physik der Wärme- John Wiley 1973, lub
odpowiednik w innym języku.
5. A.K. Wróblewski, J.A. Zakrzewski, - "Wstep do fizyki tom 1. PWN
1976
6. J.P. Holman, - Thermodynamics
Reinhard Kulessa 1
Wykład 1
1 Wiadomości wstępne
1.1 Natura termodynamiki
Wiadomo, żę tak jak dawniej, tak również obecnie energia
napędza społeczność ludzką. Wszystko co jest dostępne
ludzkości, dobra, usługi, produkcja materialna jest w prostej
zależności do ilości używanej na głowę energii.
Termodynamika zajmuje siÄ™ badaniem energii i jej przemian.
Mogłoby to oznaczać, że termodynamika jest nauką najsilniej
związaną z potrzebami człowieka
Wiemy jak wiele jest różnych rodzajów energii. Wszystkie
one mogą stać się przedmiotem rozważań
termodynamicznych.
Reinhard Kulessa 2
Zobaczymy póz
niej, że prawa termodynamiki ograniczają
ilość energii dostępnej dla wykonania pożytecznej pracy.
To narzuca konieczność jak najbardziej wydajnego
korzystania ze z
ródeł energii, używania tylko najbardziej
wydajnych procesów przetwarzania energii. Znane nam są
następujące rodzaje energii: energia tarcia, elektryczna,
magnetyczna, jÄ…drowa, chemiczna, zawarta w kwancie
świetlnym.
Ogólnie rzecz biorąc, termodynamika zajmuje się głównie
dwoma rodzajami energii, ciepłem i pracą.
Na początku wykładu omówimy krótko szeroki zakres
zagadnień termodynamicznych.
Reinhard Kulessa 3
1.2 Związki pomiędzy mechaniką klasyczną a
termodynamikÄ…
Zagadnienia mechaniki klasycznej obejmują takie pojęcia
jak siła, masa, odległość, czas i inne. Siłę rozumiemy jako coś
co ciÄ…gnie lub pcha, a matematycznie reprezentowane jest
przez wektor. Mechanika opiera siÄ™ na II prawie Newtona:
r
d r
F = (mv )
"
dt
Do opisu zjawisk mechaniki stosuje się ciało swobodne na
które działają wszystkie siły zgodnie z II zasadą dynamiki.
System (układ) mechaniczny jest zdefiniowany przez
współrzędne przestrzenne i prędkość.
Reinhard Kulessa 4
Oddziaływanie z otoczeniem jest opisane przez działanie sił.
Stan układu jest opisany przez współrzędne przestrzenne,
prędkość i jego zachowanie się. Zmiana stanu układu z
jednego do drugiego jest opisany przez oddziaływanie z
otoczeniem. Układ mechaniczny nie zmienia swego stanu bez
działania siły zewnętrznej.
Podczas, gdy w mechanice zajmujemy się wielkościami
dynamicznymi, w termodynamice zajmujemy siÄ™ porcjami
energii.
Układem w termodynamice nazywamy wyodrębnioną ilość
materii. Materia pozostała poza układem stanowi otoczenie a
granicę pomiędzy tymi dwoma stanami stanowi brzeg
układu.
Reinhard Kulessa 5
Np. masa powietrza zamknięta w butli pod ciśnieniem
stanowi układ, wewnętrzna ściana butli to brzeg układu,
a sama butla i to co na zewnÄ…trz stanowi otoczenie.
Sprężone powietrze
Brzeg układu
Otoczenie
Granice naszego układu mogą być rzeczywiste lub urojone.
Reinhard Kulessa 6
Stan układu termodynamicznego opisany jest przez
współrzędne termodynamiczne. Zwykle nie możemy na
początku podać wszystkich współrzędnych. Typowymi
przykładami takich współrzędnych są temperatura,
ciśnienie, objętość, gęstość, energia chemiczna,ilość
substancji.
Te współrzędne zwykle nazywamy własnościami układu.
Rozważmy krótko niektóre z podanych  współrzędnych
TEMPERATURA =  stan ciepłoty, gorąca
Wolno poruszajÄ…ce siÄ™ atomy lub czÄ…steczki maja niskÄ…
temperaturÄ™.
Szybko poruszajÄ…ce siÄ™ atomy lub czÄ…steczki maja wysokÄ…
temperaturÄ™.
Reinhard Kulessa 7
Wysoka T Niska T
v
CIŚNIENIE = siła działająca na powierzchnię
F
F
p =
A
A
zderzenie
ciężar
Reinhard Kulessa 8
G
STOŚĆ = masa na jednostkę objętości
m
Á =
Ä
Duża gęstość Mała gęstość
ILOŚĆ SUBSTANCJI =  ile tego jest
1 2 3 12
144
6.022 × 1023
Liczba
tuzin
&
Avogadry
& & & .
gross
& & & & & & ...
Reinhard Kulessa 9
STANY SKUPIENIA
Ciało stałe Ciecz
Gaz Plazma
Reinhard Kulessa 10
Stany skupienia materii ściśle zależą od wartości określonych
współrzędnych termodynamicznych. Są nimi ciśnienie i
temperatura.
p
Ciało
pK
Ciecz Plazma
stałe
Punkt
Krytyczny
Punkt
pP
Potrójny
Gaz
Para
T
TP TK
Reinhard Kulessa 11
Zmiana układu termodynamicznego polega na zachodzeniu
jakiegoÅ› procesu przemiany.
W termodynamice interesuje nas, jakim zmianom może
podlegać układ na wskutek tych przemian.
Jeśli chcemy opisać stan układu na każdym etapie przemiany,
musimy być w stanie zdefiniować stan układu.
Aby to móc zrobić musimy wprowadzić pojęcie równowagi
układu.
Układ jest w równowadze, jeśli np. jego ciśnienie,
temperatura i gęstość są jednorodne. Definicja ta jednak nie
jest pełna.
Aby móc określić współrzędne termodynamiczne układu,
musi on znajdować się w równowadze.
Reinhard Kulessa 12
Interesują nas przemiany będące łańcuchem stanów
równowagi. W takiej przemianie potrafimy zdefiniować
układ na każdym etapie. Procesy takie nazywamy
odwracalnymi lub kwazistatycznymi.
Proces odwracalny jest to proces który może przebiegać
w obydwie strony nieskończenie długo bez strat.
Proces nieodwracalny jest to taki w którym mamy do
czynienia ze stratÄ… energii.
Przyczynami takich strat mogą być:
Tarcie, spadki napięcia, temperatury, ciśnienia i stężenia.
Przykładem procesu nieodwracalnego jest pęknięcie
nadmuchanego balonika.
Reinhard Kulessa 13
X
Proces nieodwracalny, chyba
Że dostarczy się energii
Dobrym przykładem na proces odwracalny lub nieodwracalny
jest wymiana dewiz. Jest to proces odwracalny zakładając stały
kurs i brak opłaty, a nieodwracalny w przypadku pobierania
opłaty za wymianę.
Reinhard Kulessa 14
1.3 Temperatura, ciepło i zerowa zasada termodynamiki
Zwykle przyjmuje się, że rozumiemy pojęcie ciepła i temperatury.
Termodynamika zajmuje siÄ™ badaniami majÄ…cymi na celu
precyzyjne pojmowanie tych pojęć. Zwykle intuicyjne
pojmowanie temperatury kiedy czegoś dotykamy wiąże się z
transportem energii lub wymianą ciepła. Można więc
wywnioskować, że pomiędzy dwoma ciałami o tej samej
temperaturze nie ma wymiany ciepła.
Równość temperatury nie pozwala nam stworzyć bezwzględnej
skali temperatur.
Pojęcie równości temperatur ujmuje tzw. zerowa zasada
termodynamiki. Mówi ona, że:
Reinhard Kulessa 15
Jeśli dwa ciała są w równowadze termicznej z ciałem
trzecim, to są również w równowadze wzajemnej.
Warunkiem pełnej równowagi tych ciał jest również równość
ich ciśnień, brak zachodzenia reakcji chemicznych przy
doprowadzeniu tych ciał do kontaktu.
Ciepło jest strumieniem energii wynikającym z różnicy temperatur
Na następnej stronie pokazany jest przykład pojawienia
się przepływu ciepła.
Reinhard Kulessa 16
T1
temperatura
w pręcie
T2
T1 > T2
T1 T2
ciepło
Kule i pręt
miedziany
Reinhard Kulessa 17
1.4 Skale temperatur
Używaną na co dzień skalą temperatur jest skala Celsjusza(0C).
AbsolutnÄ… termodynamicznÄ… skalÄ… odpowiadajÄ…cÄ… skali
Celsjusza jest skala Kelvina(K).
Inną skalą jest skala Farenheita( 0F), dla której skalą
absolutnÄ… jest skala Rankine a( 0R).
Dla skali Kelvina i Rankine a zro absolutne jest takie same;
-273.15 0C.
0
F = 32.0 + 9/5 0C
0
R = 0F +459.67
K = 0C + 273.15
0
R = 9/5 K
Na następnej stronie przedstawione są niektóre punkty
termometryczzne.
Reinhard Kulessa 18
Ciśnienie normalne p0 = 1.0232 105 N/m2
1 Punkt potrójny wodoru -259.34
2 Punkt wrzenia wodoru -256.108
3 Punkt wrzenia wodoru pod p0 -252.87
4 Punkt wrzenia neonu pod p0 -246.048
5 Punkt potrójny tlenu -218.789
6 Punkt wrzenia tlenu p0 -182.962
7 Punkt potrójny wody 0.01
8 Punkt wrzenia wody p0 100.00
9 Punkt krzepnięcia cynku 419.58
10 Punkt krzepnięcia srebra 961.93
11 Punkt krzepnięcia złota 1064.43
Reinhard Kulessa 19
1.5 Pojęcie stanu układu
Wiemy z obserwacji, że pewne własności materii są
funkcjonalnie zwiÄ…zane ze sobÄ…:
rozszerzalność cieplna  temperatura
ciśnienie  objętość i temperatura
Stwierdziliśmy, że stan układu możemy określić gdy znajduje
się on w warunkach równowagi.
Zachodzi pytanie ilu współrzędnych potrzebujemy aby tego
dokonać.
W mechanice dla opisania pozycji na płaszczyz
nie wystarczÄ…
dwie współrzędne w układzie kartezjańskim , a w przestrzeni
trzy. Stan lub pozycja cząstki jest w pełni oddana przez
współrzędne układu kartezjańskiego. Jeśli jednak chcemy
opisać stan dynamiczny układu, musimy podać współrzędne
prędkości.
Reinhard Kulessa 20
W termodynamice występować będą pewne pierwotne własności
konieczne do określenia stanu układu, podczas gdy pozostałe będą
funkcjonalnie od nich zależne. Liczbę pierwotnych parametrów
koniecznych do określenia stanu układu możemy uzyskać tylko z
doświadczenia.
Dla gazu idealnego wystarczą do określenia jego stanu
wystarczą dwie z pośród trzech wielkości, ciśnienia,
temperatury i objętości.
Reinhard Kulessa 21