Zerowa zasada termodynamiki

Termometr- najprostszy mierzył objętość cieczy i przypisywał jej jakąś temperaturę.

Termometr kalibruje się na podstawie punktów odniesienia. Może to być punkt topnienia lub punkt wrzenia. Bąbelki w wodzie to para wodna a nie powietrze. Punkty odniesienia są przy ciśnieniu normalnym¹. Skala Fahrenheita ma inne punkty odniesienia.

Termometr wskazuje zawsze swoją temperaturę. Nie mierzy temperatury otoczenia. Dlatego termometr musi osiągnąć temperaturę otoczenia. Jeżeli jednak termometr ma za dużą masę względną może zmienić temperaturę otoczenia.

Wymiana ciepła² w stanach niewymuszonych może następować na trzy sposoby:

• Za pośrednictwem promieniowania elektromagnetycznego. Jest przekazywane nawet w próżni, czyli tam gdzie nie ma materii spoczynkowej- cząsteczek.

• Wewnątrz materii, w której następuje przekazywanie wypadkowe z cieplejszego do zimniejszego obszaru materii. Nie następuje przemieszczanie materii. Jest to przewodnictwo. Np. ciepło dochodzi z kominka do ręki przez pogrzebacz.

• Konwekcja- pewne fragmenty materii, które mają wyższą temperaturę przemieszczają się w obszar o temperaturze niższej. Konwekcja nie zawsze musi iść w górę, choć najczęściej tak właśnie się dzieje. Powietrze o wyższej temperaturze ma mniejszą gęstość więc jest wypierane przez cięższe powietrze zimne. Dominuje w ciałach płynnych. Grzałki w czajnikach są na dole, ponieważ w wodzie dominuje konwekcja, a nie przewodnictwo. Także powietrze ogrzewa się tylko konwekcyjnie. Jeśli szyba jest podzielona na mniejsze segmenty, ogranicza się konwekcje. Przewodnictwo jest małe, więc izolacja jest dobra.

Przemiany fazowe (krzepnięcie, topnienie, parowanie, skraplanie, sublimacja, resublimacja) wymagają wymiany ciepła.

Stan skupienia związany jest z oddziaływaniem cząsteczek. Energia związana z przyciąganiem jest energią ujemną. Jeżeli chcemy zlikwidować przyciąganie trzeba zatem dostarczyć energię, np. ciepło. Jeśli chcemy zmienić stan z gazowego na ciekły lub ciekłego na stały energia musi zostać oddana.

Q= Lm- proces zmiany stanu skupienia

L- ciepło przemiany ang. latent heat), określa ilość energii potrzebnej by jednostka masy zmieniła stan skupienia. Jest identyczne w obie strony. Dlatego mówimy tylko o cieple topnienia, parowania i sublimacji.

Q= cmΔt- proces zmiany temperatury

dQ= kmdt- równanie różniczkowe jest zawsze prawdziwe, dotyczy małych wymian ciepła

parametr c nosi nazwę ciepłą właściwego

c=Q/mΔt

zupełna izolacja termodynamiczna jest niemożliwa. Można ją jedynie zminimalizować.

C₁ΔT₁m₁=m₂c₂ΔT₂+ m₂+Lt

Proces wymiany ciepła przez przewodnictwo

Tempo wymiany ciepła czyli ilość ciepła wymieniana w jednostce czasu (dQ/dt) zależy od paru czynników:

• Jest proporcjonalna do różnicy temperatur

• Jest proporcjonalne do przekroju poprzecznego przewodnika (np. pręta). Przez gruby pręt ogrzejemy ciało o niższej temperaturze dużo szybciej niż przez drucik.

• Jest odwrotnie proporcjonalne do długości

dQ/dt= ks/l

k- to cecha materiałowa, nosi nazwę współczynnika przewodnictwa. Drewno ma dużo mniejszy współczynnik przewodnictwa niż żelazo. Będąc na mrozie możemy przymarznąć do żelaznego pręta, ale nie przymarzniemy do pręta drewnianego, mimo tego że mają tę samą temperaturę. Temperatura odczuwalna jest związana z tempem pobierania ciepła. Przewodnictwo jest jednym z jego elementów.

We wzorze jest ważny oczywiście także gradient temperatury.

Ciśnienie, temperatura i objętość

1 mol- to liczba cząsteczek 6,022 * 1023. Jest to liczba Avogadro.

O zachowaniu cząsteczek możemy wnioskować tylko za pomocą statystyki.

Możemy zmierzyć objętość i ciśnienie gazu, które określa wartość siły normalnej, czyli prostopadłej do powierzchni, można też zmierzyć temperaturę za pomocą termometru. Dla stosunkowo rozrzedzonych lub słabo sprężonych gazów badano pewne procesy:

• Gdy objętość jest stała, zmiana temperatury powoduje proporcjonalną zmianę ciśnienia. Jest to przemiana izochoryczna gazu, czyli stałej ilości gazu w stałej objętości

• W pojemniku z tłokiem mamy stałe ciśnienie i przemianę izobaryczną. Zmiana objętości jest wprost proporcjonalna do zmiany temperatury. Z podgrzewaniem zwiększa się objętość gazu.

Istnieje pewna skala temperatur, która może być wygodniejsza z punktu widzenia opisu takich przemian. Osiąga się ją poprzez ekstrapolację krzywej zależności temperatury od ciśnienia. Jest to skala wprowadzona przez lorda Kelwina. W skali tej:

pV= nrT

n- ilość moli materii

r- stała

Dla pewnej klasy rozrzedzonych gazów stała r jest uniwersalna i nosi nazwę stałej gazowej.
Gaz doskonały to każdy gaz spełniający powyższe równanie. Tlen jest gazem doskonałym w niektórych warunkach.

Określenie temperatury gazu doskonałego można wyznaczyć na podstawie objętości i ciśnienia. Pozwala to na budowę termometru doskonałego, w którym materiałem czynnym jest gaz doskonały.

Termometr ten ma jednak kłopotliwą budowę. Używa się go zatem tylko do kalibracji wygodniejszych termometrów. Ma on pojemnik, odchodzącą od niego rurkę, która idzie w dół i ma ciecz. Wykorzystuje się tu prawo Pascala- każda ciecz ze względu na swój ciężar wywiera ciśnienie proporcjonalne do wysokości słupa cieczy.

P= g*ro*h

g- przyspieszenie ziemskie

ro- gęstość

na ciecz działa zatem z jednej strony ciśnienie atmosferyczne i ciśnienie wywierane przez gaz.

Można mierzyć objętość albo ciśnienie w zależności od ustawienia ramienia.

Ciśnienie jest odwrotnie proporcjonalne do objętości, przy tej samej temperaturze.

Zderzenia sprężyste nie powodują utraty energii kinetycznej.

P=F/s=1/3NΔp/Δt/S

Δp=2mv

S=a²

Pa²=1/3N*2mv/Δt

=2/3M*mv²/2a

Pa³=2/3Nmv²/2

pV=2/3NEkśr.

Z tego I z równania pV=nRT

Otrzymujemy ze T jest proporcjonalna do Średniej energii kinetycznej cząsteczek w gazie doskonałym.

Za tydzień prawa gazów, przemiany fazowe, I i II zasada termodynamiki

---

1. W górach ciśnienie jest mniejsze, więc w schroniskach serwują zimniejszy wrzątek (woda szybciej paruje).↩

2. Wypadkowo ciepło przekazywane jest z obiektu cieplejszego do zimniejszego↩