CENTRALNA SZKOŁA PAŃSTWOWEJ STRAŻY POŻARNEJ W CZĘSTOCHOWIE
Studium przemienne aspirantów.
PRACA ZALICZENIOWA
Przedmiot: Fizykochemia spalania.
Temat: Zasady termodynamiki.
Wykładowca:
mł. bryg. mgr inż. Elżbieta Rakowska
Opracował:
mł. ogn. Krzysztof Gawłowski
Częstochowa luty 1997 rok.
Prawa dotyczące wszelkich zjawisk zachodzących w przyrodzie związanych z ciepłem i temperaturą określa się mianem termodynamiki.
Zagadnienia termodynamiki można rozpatrywać opierając się na teorii kinetyczno-molekularnej, jak również rozpatrując stan równowagi termodynamicznej dwóch ciał.
Teoria kinetyczno-molekularna wymaga rozwiniętej techniki laboratoryjnej,
gdyż bierze się pod uwagę także czynniki jak: wielkości atomów, ich wzajemne oddziaływanie (energia kinetyczna i potencjalna).
Biorąc pod uwagę stan równowagi termodynamicznej dwóch ciał do którego rozpatrywane układy fizyczne dochodzą samorzutnie po odpowiednio długim czasie pod warunkiem iż są izolowane od wpływów zewnętrznych cechy materii
i opis jej jest uproszczony i wymaga wielu parametrów (skład chemiczny, ciśnienie, objętość).
Gdy rozpatrzymy układ dwóch ciał będących w stanie równowagi stykających
się ze sobą przez cienką ściankę nie przepuszczającą materii - diatermiczną (przepuszczającą ciepło) to stan obu ciał ulegnie zakłóceniu
Jeśli ich stan nie ulegnie zakłóceniom to ciała te są w równowadze termicznej,
co jest warunkiem koniecznym ale nie wystarczającym do osiągnięcia równowagi termodynamicznej, gdyż usunięcie ścianki diatermicznej może spowodować zmiany ich stanów (wyrównanie ciśnienia).
Pewnik iż równowaga termiczna jest przechodnia nazywa się zerową zasadą termodynamiki.
Gdy ciało A jest w równowadze termicznej z ciałem B, a ciało B z ciałem C,
to ciało A jest w równowadze termicznej z ciałem C. Na zasadzie tej opiera
się działanie termometrów i daje ona możliwość wprowadzenia pojęcia parametru temperatury.
Każdy termometr mierzy swoją własną temperaturę i pomiar temperatury innych ciał wymaga wyrównania temperatur przez ściankę diatermiczną.
Najwcześniejsze, ogólne sformułowanie zasady zachowania energii zostało spisane w rozprawie Helmhdtza w 1847 r.
Cząsteczce można przypisać wartość energii kinetycznej i energii potencjalnej, gdyż klasa sił zachowanych pozostaje stała.
Energia kinetyczna może pozornie znikać, jest ona zamieniona w ciepło.
energia całkowita = energia kinetyczna + energia potencjalna + ciepło +energia elektryczna + wszystkie inne formy energii
Zasada powyższa daje dużą swobodę działania, gdyż stwierdza że praca wykonana nad układem jest równa wzrostowi energii ciepła energii elektrycznej, kinetycznej i potencjalnej.
Zasadniczą różnicą między przekazem energii w formie ciepła, a przekazem energii w formie przy jest to , że w pierwszym z nich przekaz energii następuje w wyniku chaotycznych zjawisk atomowych (mikroskopowych), a w drugim
ma charakter uporządkowany (makroskopowy).
Au = Q + W
gdzie:
Au = u końcowe - u początkowe -zmiana energii wewnętrznej,
Q - dopływ ciepła,
W - wykonana praca.
Każda forma energii pozostaje w określonym, stosunku do innych form
i wszystkie one powinny być równoważne określonej ilości pracy.
Praca 4,18 J (praca wykonana przez siłę 4, 18 N na drodze 1 metra) może wykonać 1 cal. Ciepła, przesunie ona również 2,6 * 10 19 elektronów pomiędzy punktami a różnicy potencja rów 1V, lub podnieść masę 100 g na wysokość 426 cm. Kiedy masa ta spada z tej wysokości, jej energia kinetyczna równa jest 4,18 J uderzając o Ziemię przechodzi w stan spoczynku i wytworzy 1 cal ciepła które ogrzeje masę która spadła jak i Ziemię.
J = N m =
Proces w którym wykonana jest praca (sprężanie lub rozprężanie gazu, a ciepło nie przepływa Q = 0 nazywamy przemianą adiabatyczną.
Chcąc zrealizować taką przemianę, należy otoczyć daną substancję ściankami adiabatycznymi, lub przeprowadzić sprężanie czy też rozprężanie na tyle szybko aby ciepło nie zdążyło przepłynąć pomiędzy gazem a otoczeniem.
C =
C - ciepło właściwe,
m - masa ciała,
- mały przyrost temperatury.
Ciepło właściwe jest parametrem opisującym właściwości substancji liczbowo równym ciepłu potrzebnemu do podgrzania 1 kg tej substancji o 1 kalwin,
albo odebranym o 1 kalwin przy oziębieniu.
C - [J (kg K)]
u = -pv + mc T szczególny wzór I zasady termodynamiki
Szczególność tego wzoru polega na tym że ciepło może być przekazywane
bez zmiany temperatury (wrzenie lub topnienie).
Ciepło potrzebne do podwyższenia temperatury danego ciała zależy od rodzaju procesu.
Wyróżniamy w szczególności ciepło właściwe w przemianie izochorycznej Cv
i W przemianie izobarycznej W = 0 i całe dostarczone ciepło daje wzrost energii wewnętrznej (wzrost temperatury).
Sens I zasady termodynamiki, jest taki, że w każdym procesie fizycznym możemy zdefiniować wielkość zwaną energią.
Energia jest to suma różnych wyrazów równania której wartość pozostaje niezmieniona, niezależnie od tego jakim zmianom może podlegać układ.
Maszyną która wykonywała by pracę za darmo, czyli bez wyczerpania wewnętrznych zasobów paliwa, bez ogrzewania nazywamy PERPETUM MOBILE pierwszego rodzaju.
Jednak budując maszynę, która pobierała by ciepło z jednego termostatu
i kosztem tego wykonywałaby pracę, to efekt praktyczny jej działania byłby taki sam mimo zachowania energii. Jest to maszyna PERPETUM MOBILE drugiego stopnia.
Zbudować takiej maszyny jednak nie można. Stwierdzenie to jest znane jako druga zasada termodynamiki.
Niemożliwe jest skonstruowanie maszyny, która pracując cyklicznie wykonywałaby pracę kontaktując się z tylko jednym termostatem.
Maszyna, która kontaktuje się z dwoma i więcej termostatami może wykonać pracę.
Zasadą działania jest pobieranie ciepła z termostatu o wyższej temperaturze (grzejnika) i oddawaniu do termostatu o niższej temperaturze (chłodnicy).
Stwierdzenie to pozwala sądzić iż silnik taki nigdy nie osiągnie sprawności równej 100 %.
Wykonanie pracy i zamiana jej na ciepło jest zjawiskiem nieodwracalnym a więc niemożliwym.
Przykładem może być próba napędzania autobusów we Francji z rozgrzanych tarcz hamulcowych (nieekonomiczne). Ogrzewanie spirali oporowej w celu wytworzenia prądu. Z mikroskopowego punktu widzenia nieodwracalność zjawiska jest wynikiem uśrednienia chaotycznych ruchów atomów i cząsteczek.
Sprawność maszyny zależ tylko od temperatury grzejników i chłodnicy,
a nie od rodzaju substancji roboczej.
n = 1
Sprawność będzie bliska 0 w momencie gdy temperatury grzejnika i chłodnicy zbliżą się do siebie, rosnąć gdy temperatury będą się znacznie różnić
Najmniejsza jest praca mechaniczna lub elektryczna, którą można przekształcić w inne formy energii.
Gdy praca ulega nieodwracalnej przemianie w ciepło możliwym, że energia uległa degradacji.
5
2