Termodynamika.doc

(741 KB) Pobierz
Termodynamika, cd

Termodynamika, cd.

Wyklad 10

 

 

Ruch cząsteczek gazu doskonałego

Kinetyczna teoria gazu doskonałego

Z równania

 

i równania gazu doskonałego

pV = nRT można wyznaczyć prędkość średnią kwadratową cząsteczek gazu:

 

 

Na przykład dla cząsteczek wodoru w temperaturze pokojowej (300 K) prędkość ta

wynosi 1920 m/s. Na powierzchni Słońca (2×106 K) średnia prędkość byłaby 82 razy wyższa (ale wcześniej cząsteczki rozpadają się w wyniku zderzeń).

 

Energia kinetyczna ruchu postępowego

Temperatura jest miarą energii!

Średnia energia kinetyczna ruchu postępowego jest w danej

temperaturze identyczna dla wszystkich cząsteczek gazu

doskonałego i niezależna od ich masy.

 

Średnia droga swobodna

Średnia droga swobodna to

droga pomiędzy kolejnymi

zderzeniami:

 

 

 

 

 

d to średnica cząsteczki, a N/V koncentracja cząsteczek

• Średnia droga swobodna cząsteczek powietrza na

poziomie morza wynosi 0.1 µm, natomiast na

wysokości 300 km rośnie do 20 km!

 

Rozkład prędkości cząsteczek

Rozkład Gaussa:

 

Prędkości cząstek zgodnie z kinetyczną teorią gazu mają rozkład Gaussa. Stałe a i A wyznaczymy z warunków normalizacji.

 

 

Rozkład prędkości cząsteczek

Rozkład prędkości cząsteczek gazu jest opisany rozkładem Maxwella. Stanowi on, że liczba cząstek dn(v)dv poruszających się z prędkościami leżącymi w zakresie od v do v+dv jest opisana następującym równaniem:

 

 

 

 

 

 

 

Prędkość średnia, prędkość średnia kwadratowa, prędkość najbardziej prawdopodobna

Prędkość średnia:

Określa szybkość dryfu układu.

 

Prędkość średnia kwadratowa:

Jest to pierwiastek kwadratowy ze średniej

arytmetycznej kwadratów prędkości ruchu

postępowego wszystkich cząsteczek gazu

 

 

Prędkość najbardziej prawdopodobna:

Jest to prędkość, przy której rozkład osiąga maksimum.

 

 

 

Układy: izolowany, zamknięty i otwarty

 

Przemiany izoparametryczne

• Przemiana izochoryczna – stała objętość.

• Przemiana izobaryczna – stałe ciśnienie.

• Przemiana izotermiczna – stała temperatura.

• Przemiana adiabatyczna – układ nie wymienia ciepła z otoczeniem (układ izolowany lub przemiana gwałtowna).

Wymiana ciepła: egzotermiczna –

proces, w którym układ oddaje

ciepło do otoczenia

Q< 0 (ciepło jest tracone)

 

 

Wymiana ciepła: endotermiczna –

proces, w którym układ pobiera

ciepło z otoczenia.

Q > 0 (ciepło pobierane)

 

 

Jeśli układ oddaje ciepło: Q < 0

Jeśli układ pobiera ciepło: Q > 0

Jeśli układ wykonuje pracę: W < 0

Jeśli na układzie jest wykonana praca: W > 0

 

Zasada ekwipartycji energii

Udowodniliśmy, że w przypadku gazu doskonałego średnia energia kinetyczna jednej cząstki wynosi

 

Temperatura jest miarą energii!

Średnia energia kinetyczna ruchu postępowego jest w danej temperaturze identyczna dla

wszystkich cząsteczek gazu doskonałego i niezależna od ich masy.

Pojedyncza cząstka może się poruszać niezależnie w trzech

kierunkach – x, y, z – mówimy, że ma trzy stopnie swobody. Istnieje ogólna reguła zwana....zasadą ekwipartycji energii:

Na każdy stopień swobody (na każdy rodzaj energii) przypada "porcja"

 

Ekwipartycja energii

W przypadku rzeczywistych cząstek, konieczne jest uwzględnienie innych składników energii

wewnętrznej.

• Jednym z możliwych źródeł

energii jest ruch translacyjny

środka masy.

• W przypadku ruchu

postępowego liczba stopni

swobody i = 3.

 

Ekwipartycja energii

Cząsteczki wieloatomowe mogą magazynować energię także w ruchu obrotowym – są to dwa stopnie swobody dla cząsteczek 2-atomowych (dwa obroty wokół osi prostopadłych do osi cząsteczki) i trzy stopnie dla cząsteczek 3-atomowych (trzy obroty).

– W przypadku dwuatomowych

cząsteczek możemy

nieuwzględniać rotacji względem

osi y ze względu na

zaniedbywalny mały wkład tej

rotacji w porównaniu do efektów

pochodzących od rotacji

względem x i z.

Ekwipartycja energii

Energia kinetyczna i potencjalna towarzyszą wibracjom. Kolejne stopnie swobody (w tym oscylacje) włączają się wraz ze wzrostem

temperatury i dlatego w

różnych przedziałach

temperatur ciepła molowe

przybierają różną wartość.

Ekwipartycja energii

Ruchowi translacyjnemu odpowiadają trzy stopnie swobody. Rotacja to dwa dodatkowe stopnie swobody. Wibracje to także dwa stopnie swobody.

3 + 2 + 2 = 7

Każdemu stopniowi swobody cząsteczki –

niezależnemu rodzajowi ruchu – można

przypisać energię kT/2 w przeliczeniu na

cząsteczkę (RT/2 w przeliczeniu na mol).

Ale jest to niezgodne z wynikami eksperymentalnymi

 

Pierwsza zasada termodynamiki – energia wewnętrzna

 

 

 

 

 

 

 

Zgodnie z wynikami teorii kinetycznej energia wewnętrzna gazu doskonałego zależy wyłącznie od temperatury gazu, tzn. dla określonej masy gazu jest jednakowa dla wszystkich stanów gazu o jednakowej temperaturze.

Jak w eksperymencie?

Ciepło molowe zależy od temperatury.

• W niskich temperaturach,

dwuatomowy gaz

zachowuje się jak

monoatomowy

 

Jak w eksperymencie?

W temperaturze pokojowej, wartość rośnie do CV = 5/2 R

– Wynika to z włączania się ruchów rotacyjnych.

W wysokich temperaturach CV = 7/2 R

- Tu wibracje wraz z rotacjami i ruchem translacyjnym.

 

 

 

 

 

 

 

Złożone cząsteczki

• W przypadku cząsteczek trój- i więcej atomowych wibracje są bardzo istotne.

• Liczba stopni swobody rośnie.

• Im więcej stopni swobody ma cząsteczka, tym więcej ma „sposobów” na magazynowanie energii. W efekcie rośnie ciepło molowe.

 

Zasada ekwipartycji energii

Podsumowanie dla gazu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Przemiana izobaryczna

p = const, V/T = nR/p = const

W trakcie przeprowadzania procesu izobarycznego stosunek objętości do temperatury jest stały;

objętość i temperatura są w tym procesie wielkościami proporcjonalnymi.

 

Ta zależność stanowi treść prawa Gay – Lussaca, uzyskanego pierwotnie na drodze empirycznej – jako uogólnienie danych doświadczalnych.

 

Pierwsza zasada termodynamiki a przemiany gazowe – izobara

 

 

 

 

 

 

Przemiana izotermiczna

W procesie izotermicznym iloczyn ciśnienia i objętości jest stały; ciśnienie i objętość są w tym procesie wielkościami odwrotnie proporcjonalnymi:

 

 

Otrzymane zależności stanowią treść prawa Boyle’a – Mariotte’a.

Przemiany izotermiczne dominują w procesach przebiegających w materii ożywionej

Pierwsza zasada termodynamiki a przemiany gazowe – adiabata

Przemiana adiabatyczna

Przykład: rozprężanie gazu, tak szybkie, że bez wymiany ciepła z otoczeniem –

wówczas temperatura spada. Taki jest właśnie mechanizm gaśnicy CO2 –

wypływający pod ciśnieniem gaz rozpręża się do ciśnienia atmosferycznego i temperatura spada.

W powyższym związku, zwanym

równaniem Poissona, indeksy 1 i 2

oznaczają początkowy i końcowy

stan gazu, a wykładnik adiabaty

równy jest stosunkowi ciepła

molowego gazu w procesie

izobarycznym do ciepła molowego

gazu w procesie izochorycznym:

 

Pierwsza zasada termodynamiki a przemiany gazowe – adiabata

 

 

 

 

Praca wykonana kosztem energii wewnętrznej

 

Energia wewnętrzna

Przykładowe przemiany gazu doskonałego we współrzędnych p-V – dla której zmiana energii jest największa?

 

 

Przemiana adiabatyczna odwracalna gazu doskonałego - kilka zastosowań...

Silnik spalinowy wysokoprężny (Diesla); powietrze sprężone ok. 20-krotnie praktycznie adiabatycznie ogrzewa się do temperatury wyższej niż 1000 K, co powoduje zapłon paliwa podanego do cylindra przez

pompę wtryskową.

Skraplanie gazów metodą Claude'a (Kapicy); sprężony gaz schłodzony wodą do temperatury „pokojowej” jest rozprężany praktycznie adiabatycznie w silniku tłokowym (G. Claude, 1900) lub turbinie gazowej (P. Kapica, 1934) w wyniku jego temperatura obniża się poniżej temperatury wrzenia.

Skąd się bierze wieczny śnieg w górach?

Im wyżej, tym niższe ciśnienie atmosferyczne. W troposferze pionowe prądy przemieszczają ogromne masy powietrza; ze względu na ich rozmiar jest proces praktycznie adiabatyczny.

Powietrze wynoszone do góry rozpręża się i w konsekwencji maleje jego temperatura –

pojawia się pionowy ujemny gradient temperatury..

Wyróżnia się 2 gradienty temperatury: suchoadiabatyczny (dla powietrza nienasyconego parą wodną) - zwykle jest to ok. 1°C/100m

Gradient wilgotnoadiabatyczny (dla powietrza nasyconego parą wodną) - zwykle jest to ok. 0.5°C/100m

Wiatr „halny” wiejący na polskim Podhalu: wilgotne ciepłe powietrze napływające z południa jest wynoszona do góry przez łańcuch Tatr w wyniku czego ulega rozprężeniu praktycznie adiabatycznemu i ochłodzeniu; skrapla się para wodna (pada deszcz). Po polskiej stronie powietrze pozbawiona wody spływa w dół ulegając adiabatycznemu sprężeniu w wyniku czego ogrzewa się; wieje suchy gorący wiatr.

 

Konsekwencją adiabatycznych procesów w atmosferze są także tornada.

Tornada są widoczne dzięki kondensacji kropelek wody.

 

Cykle termodynamiczne

Cykl- ciąg procesów doprowadzających do stanu wyjściowego

Praca cyklu- pole wewnątrz krzywej

...

Zgłoś jeśli naruszono regulamin