Literatura do wykładu i ćwiczeń
1. J. Szargut -  Termodynamika - PWN 1983.
2. B. Staniszewski, -  Termodynamika - PWN 1982.
3. Dowkontt J.: Teoria maszyn cieplnych. PWN, Warszawa 1979.
4. Wiśniewski S.: Termodynamika techniczna. WNT, Warszawa 1999.
5. Gąsiorowski J., Radwański E., Zagórski J., Zgorzelski M.: Zbiór zadań z teorii maszyn cieplnych. WNT,
Warszawa
Wykład 1
Termodynamika bada prawa rządzące przemianami energii w toku procesów fizycznych i chemicznych. Jest ona
niezależna od teorii atomistycznych, gdyż znajomość struktury materii nie jest potrzebna do sformułowania
praw termodynamiki.
Termodynamika techniczna  zagadnienia wykonywania pracy kosztem doprowadzonego ciepła, sporządzanie
bilansów ilości substancji, energii, entropii i egzergii.
Służy analizie wymiany ciepła (przewodzenie, konwencja, przejmowanie, przenikanie) oraz zmianie energii
cieplnej w inne rodzaje energii.
W termodynamice stosuje się dwie metody badania zjawisk termodynamicznych: fenomenologiczną i statystyczną
Termodynamika fenomenologiczna
Metoda fenomenologiczna polega na makroskopowym opisie układu i występujących w nim zjawisk, za pomocą
właściwości fizycznych takich, jak np. masa, objętość, ciśnienie, temperatura. Indywidualne właściwości fizyczne
substancji są wyznaczane doświadczalnie. Traktuje ciała stałe, ciecze i gazy jako ośrodki ciągłe nie mające budowy
cząsteczkowej.
Termodynamika statystyczna
Metoda statystyczna polega na rozważaniu zbiorów dużych liczb cząsteczek tworzących opisywaną substancję.
Pozwala na obliczanie właściwości fizycznych substancji z danych podstawowych, dotyczących budowy
cząsteczek. Stosuje metody mechaniki kwantowo-statystycznej oraz aparat matematyczny rachunku
prawdopodobieństwa.
1
Wielkości fizyczne dotyczące całkowitej ilości czynnika termodynamicznego oznaczono dużą literą , np. ciepło Q, objętość V,
entalpia I.
Natężenia przepływu (strumienie), odniesione do jednostki czasu, oznaczono kropką nad symbolem danej wielkości, np.
strumień substancji , strumień ciepła , strumień objętości
m (kg / s) Q(W )
V (m3 / s)
Wielkości właściwe odniesione do 1 kg czynnika termodynamicznego oznaczono małymi literami, np. ciepło jednostkowe q,
objętość właściwa v.
POJ
CIA PODSTAWOWE
Substancja  materia o budowie korpuskularnej, mająca masę spoczynkową różną od zera.
Ciało fizyczne  jest utworzone z substancji mającej rzeczywiste lub abstrakcyjne, ściśle określone granice.
(Np. substancją jest powietrze, woda, stal; ciałem fizycznym jest powietrze lub woda w zbiorniku, pręt stalowy itp.)
Czynnik termodynamiczny (czynnik roboczy, grzewczy, chłodniczy)  substancja biorąca udział w procesach termodynamicznych.
Układ termodynamiczny  wyodrębniony z przestrzeni, za pomocą osłony kontrolnej (bilansowej) obszar materii, stanowiący przedmiot
rozważań.
Otoczenie układu  wszystko, co znajduje się poza granicami układu, a ma bezpośredni związek z jego zachowaniem.
Układ termodynamiczny może również składać się z więcej niż z jednej fazy.
Mieszanina pary wodnej, kropel wody i kryształków lodu jest mieszaniną trzyfazową.
Układ termodynamiczny może również zawierać więcej niż jeden składnik.
Mieszanina powietrza, wody i lodu zawiera dwa składniki i trzy fazy.
Jeśli fazy są rozłożone jednorodnie układ jest homogeniczny, jeśli są rozłożone niejednorodnie układ jest
heterogeniczny.
Własności termodynamiczne zależą od liczby faz i składników, oraz od tego, czy układ jest homogeniczny czy nie.
" Równowaga termodynamiczna zachodzi, jeżeli są spełnione trzy warunki równowagi:
�� równowaga mechaniczna (równowaga sił),
�� równowaga termiczna (równość temperatur),
�� równowaga chemiczna.
" Termodynamika stanów równowagi  rozpatrywanie zjawisk, które można traktować jako zbiory kolejnych
stanów równowagi, lub rozpatrywanie skrajnych stanów równowagi, między którymi przebiegają zjawiska w
sposób nierównowagowy.
2
układ otwarty układ zamknięty
" Układ odosobniony (izolowany)  jest oddzielony od otoczenia osłoną uniemożliwiającą zarówno przepływ
substancji, jak i przenikanie ciepła.
" Układ zamknięty  nie jest możliwy przepływ substancji przez jego granice,
a) układ zamknięty może być zamknięty adiabatycznie, ale może wymieniać energię na skutek wykonania pracy,
b) układ zamknięty może być zamknięty diatermicznie (energia jest wymieniana na skutek przepływu ciepła i
wykonywania pracy),
" Układ otwarty - jest możliwy przepływ substancji przez jego granice.
" Układ przepływowy  układ otwarty, przez którego granice przepływa substancja do wewnątrz i na zewnątrz.
Stan układu jest określony zespołem wartości parametrów stanu. Są to takie makroskopowe wielkości fizyczne, dotyczące
danego układu, których wartość można określić na podstawie pomiaru, lecz bez znajomości historii układu (np. składowe
prędkości, temperatura, ciśnienie, objętość, ilość substancji).
Jeżeli wartość parametru nie zależy od ilości substancji, to taki parametr nazywamy intensywnym np. temperatura lub
ciśnienie. W przeciwnym razie parametr nazywamy ekstensywnym np. energia lub objętość układu.
Parametry intensywne (lokalne)  mogą być jednakowe dla całego ciała lub dla poszczególnych jego części. Parametry
te mogą tworzyć odpowiednie pola, np. pola temperatury, pola ciśnienia.
Stan termodynamiczny ciała fizycznego jest określony jednoznacznie, jeżeli można z tej samej substancji
odtworzyć to ciało w innym miejscu, w sposób wystarczający do rozważań termodynamicznych.
3
Przemiana termodynamiczna
Zjawisko stanowiące ciągłą zmianę stanów układu między pewnym stanem początkowym i końcowym.
Jeżeli przemiana przebiega w układzie zamkniętym, a stan początkowy i końcowy są identyczne, wówczas nazywana jest
ona obiegiem (zamkniętym) termodynamicznym lub cyklem.
Przemianę nazywamy odwracalną, jeżeli jest możliwy powrót układu
i otoczenia do stanu początkowego.
y
2
Przemiana złożona z kolejno po sobie następujących stanów równowagi,
nosi nazwę przemiany quasi-statycznej
Stan substancji nie może być charakteryzowany za pomocą parametrów
ekstensywnych, lecz za pomocą utworzonych z nich parametrów właściwych,
1
które są parametrami intensywnymi (np. v, u, i, s)
NORMALNE WARUNKI FIZYCZNE
x
CIŚNIENIE:
p=1 atm (atmosfera fizyczna) = 1,01325 �105 Pa = 760 Tr
TEMPERATURA:
T = 273,15 K
Cechą charakterystyczną układu jest stan termodynamiczny układu opisany następującymi parametrami stanu:
ciśnienie p,
objętość V,
temperatura T,
liczność materii, czyli liczba moli n.
Parametry stanu są powiązane równaniem Clapeyrona:
pV=nBT
4
Kilomol  jednostka ilości substancji
1 kilomol (kmol) zawiera 6,0268�1026 cząsteczek, czyli tyle, ile zawiera 12 kg izotopu węgla 12C.
Masa 1 kilomola substancji wynosi tyle kilogramów, ile wynosi jej masa cząsteczkowa.
Zasada zachowania ilości substancji: nie zmienia się liczba cząsteczek w zjawiskach fizycznych oraz nie
zmienia się liczba atomów podczas reakcji chemicznych.
Parametry właściwe
V 1
u� =� =�
Dla substancji jednorodnych  stosunki parametrów ekstensywnych do ilości substancji, np.
m r�
Masa m (kg)
m =� n�� m
m (kg/kmol)
Parametry kilomolowe (molowe)  są to parametry właściwe odniesione do ilości substancji określonej za pomocą
liczby kilomoli n.
V
Przykład: objętość molowa substancji jednorodnej V =� Vm =� n =�u�m
m kg
ć� ��
r� =�
G
STOŚĆ = masa na jednostkę objętości
��
V m3 ��
Ł� ł�
ć� ��
V m3
u� =�
OBJ
TOŚĆ WA
AŚCIWA = objętość na jednostkę masy �� ��
m kg
Ł� ł�
DYNAMICZNY WSPÓA
CZYNNIK LEPKOŚCI = jest to stosunek naprężenia stycznego, powstającego
pomiędzy warstwami poruszającego się płynu, do gradientu prędkości.
t�
h� =� Pa �� s
(� )�
grad w
KINEMATYCZNY WSPÓA
CZYNNIK LEPKOŚCI jest zdefiniowany wzorem:
ć� ��
h� m2
=�
�� ��
r� s
Ł� ł�
Manometry wskazują nadciśnienie pm , czyli różnicę między mierzonym
ciśnieniem bezwzględnym p a ciśnieniem atmosferycznym pot
Ciśnienie bezwzględne p = pot + pm
Wakuometry wskazują podciśnienie czyli różnicę między ciśnieniem
atmosferycznym pot a mierzonym ciśnieniem bezwzględnym p
Ciśnienie bezwzględne p = pot  pw
Ciśnienie statyczne, dynamiczne i całkowite
r� �� w2
pd =�
2
pc =� p +� pd
Temperatura jest niczym innym jak miarą średniej
energii kinetycznej cząsteczek gazu i że energia
cząsteczek gazu zależy wyłącznie od temperatury.
Praca  wszystkie działania między układem a jego otoczeniem, równoważne zmianie położenia ciężaru,
znajdującego się poza układem, względem poziomu odniesienia. [1 N�m = 1 J]
Praca i ciepło to formy przekazywania energii, a nie postacie energii. Energia jest własnością materii, jest
funkcją stanu układu. Praca i ciepło przestają istnieć z chwilą zakończenia wykonywania pracy lub przepływu ciepła.
Pozostaje tylko skutek tych zjawisk: zmieniona wartość energii ciał uczestniczących w zjawiskach.
7
Układ jest w równowadze trwałej, jeżeli skończona zmiana jego stanu powoduje również
skończoną zmianę w stanie otoczenia.
Układ jest w równowadze obojętnej, jeżeli skończona zmiana jego stanu jest możliwa bez
odpowiedniej zmiany stanu otoczenia, przy czym stan początkowy może być
przywrócony przez nieskończenie małą zmianę stanu otoczenie.
Układ jest w równowadze chwiejnej, jeżeli skończona zmiana stanu układu może zajść bez
odpowiedniej zmiany stanu otoczenia, a przywrócenie stanu początkowego wymaga
skończonej zmiany stanu otoczenia.
Układ jest w równowadze metastabilnej, jeżeli po działaniu bodz
ca większego od pewnej
wartości granicznej zachowuje się on jak układ w stanie równowagi chwiejnej, natomiast po
działaniu bodz
ca mniejszego od tej wartości jak układ w stanie równowagi trwałej.
Stan ustalony otwartego układu termodynamicznego występuje, jeżeli parametry stanu układu nie zmieniają się w czasie
lub zmieniają się w sposób periodyczny.
Energia układu
Suma energii cząsteczek oraz energii ich wzajemnego oddziaływania odniesiona do środka masy. Oddziaływanie wzajemne
układu i otoczenia sprowadza się do wymiany energii wewnętrznej, które zwykle odbywa się w formie makroskopowej
przez wykonanie pracy lub w formie mikroskopowej przez wymianę ciepła. Energia wewnętrzna wzrasta wraz ze wzrostem
temperatury. Energia wewnętrzna zawiera w sobie różne rodzaje energii np. potencjalną, kinetyczną, chemiczną,
sprężystą.
Ciepło
Ciepło przemiany składa się z ciepła doprowadzonego z zewnątrz (ciepło zewnętrzne) oraz ciepła spowodowanego
dyssypacją pracy wewnątrz układu (ciepło wewnętrzne). Jeżeli dwa układy mające różną temperaturę wymieniają
między sobą energię bez zmian objętości, to wówczas formą przekazania energii wewnętrznej jest wyłącznie wymiana
ciepła. Pojęcie ciepła może być zdefiniowane jednoznacznie tylko w układzie zamkniętym.
8