TERMODYNAMIK? materialteknik, bioteknik, biologi, meteorologi, astronomi,... Ch. 1-1 Termodynamik C. Norberg, LTH

Transkript

1 TERMODYNAMIK? Termodynamik är den vetenskap som behandlar värme och arbete samt de tillståndsförändringar som är förknippade med dessa energiutbyten. Centrala tillståndsstorheter är temperatur, inre energi, entalpi och entropi. Vid en termodynamisk process(tillståndsförändring) sker energiutbyten mellan ett system och dess omgivning samt omvandlingar mellan olika energiformer inom dessa. För ett s.k. öppet system kan det även ske massutbyte. Vid termodynamisk analys behöver man oftast inte veta vad som händeridetaljinomettvisstsystem.vadsomkrävsärdockoftast kännedom om begynnelsetillstånd, processväg, sluttillstånd samt utbytet med omgivningen. Hur mycket effekt går det att få ut ur en värmemotor? Hur stor kylande effekt kan erhållas från en kylmaskin? Är den föreslagna processen möjlig? Vad har den för kvalitet? Vilken process ger minst påverkan på omgivningen d.v.s. på miljön? Tillämpningsområden: energi- och miljöteknik, kylteknik, luftkonditionering, VVS, förbränning, processteknik, kemisk apparatteknik, materialteknik, bioteknik, biologi, meteorologi, astronomi,... Ch. 1-1 Termodynamik C. Norberg, LTH

2 TERMODYNAMIKENS UPPBYGGNAD Klassisk termodynamik makroskopiskt synsätt (statistisk d:o mikroskopiskt synsätt) Fyra huvudsatser (HS) baserade på experiment/erfarenhet :te HS: Väldefinierat temperaturbegrepp T 1842/43 1:a HS: Kvantitativt samband mellan arbete W, värme Q och ändringar i energi E ( energins oförstörbarhet ) 1824/50 2:a HS: Möjligheterna att omvandla värme till arbete är begränsade; totala energin är konstant men dess kvalitet sjunker; entropi S; reversibla och irreversibla processer :e HS: Definition av entropins absolutvärde Medieegenskaper måste hämtas från experimentella data Aggregationstillstånd (faser): fast, flytande och gasformig fas : Carnot, 1842: Mayer, 1843: Joule, 1850: Clausius, 1906: Nernst, 1939: Fowler & Guggenheim 2 Vid extremt låga resp. höga temperaturer tillkommer Bose-Einstein-kondensat och plasma. Ch. 1-1 Termodynamik C. Norberg, LTH

3 1:A och 2:A HUVUDSATSEN Den tyske fysikern Rudolf Clausius summerade första och andra huvudsatsen enligt följande: Die energie der Welt ist constant. Die Entropie der Welt strebt einem Maximum zu. d.v.s. Energin i universum är konstant. (1:a huvudsatsen) E sys = E in E out Entropin i universum strävar mot ett maximum. (2:a huvudsatsen) S sys = S in S out +S gen, S gen > 0 Rudolf Clausius ( ) 3 Ueber verschiedene für die Anwendung bequeme Formen der Hauptgleichungen der mechanischen Wärmetheorie. Annalen der Physik und Chemie 5(5), (1865). Ch. 1 Termodynamik C. Norberg, LTH

4 GRUNDLÄGGANDE BEGREPP System(slutet system) = en viss förutbestämd och identifierbar massa m. System Systemgräns Omgivning. Kontrollvolym (öppet system) = en volym som avgränsar ett visst område. Massa tillåts passera kontrollytorna (strömmande medium). Ett system sägs vara i jämvikt om det inte förekommer några obalanserade potentialer inom systemet, d.v.s. samma konstanta tryck och temperatur överallt, konstant fas-sammansättning samt konstant kemisk sammansättning (inga tidsvariationer). Tillståndet vid jämvikt är därmed fullständigt beskrivet. Tillståndsstorhet = mätbar egenskap för ett system vid jämvikt (alt. lokal jämvikt för delsystem). Om ett system delas upp i ett antal delsystem och en storhets värde i varje delsystem är proportionell mot delsystemets massa kallas den för en extensiv eller massberoende storhet. Alla sådana storheter kan anges per massenhet. Exempel: volym V, energi E, entalpi H, entropi S,... En storhet som är oberoende av delsystemens massa kallasför en intensiv eller massoberoende storhet. Exempel: tryck P, temperatur T, volymitet v = V/m, densitet ρ = m/v = v 1,viskositetµ,energipermassenhet(specifikenergi) e = E/m, entalpi per massenhet (specifik entalpi) h = H/m,... Ch. 1-3/4/6 Termodynamik C. Norberg, LTH

5 TERMODYNAMISK JÄMVIKT Termodynamisk jämvikt (för ett system) kräver 1. termisk jämvikt samma temperatur överallt 2. mekanisk jämvikt samma tryck överallt 3. fasjämvikt massan för varje komponent konstant 4. kemisk jämvikt konstant kemisk sammansättning Vid jämvikt är det termodynamiska tillståndet fullständigt beskrivet. Ch. 1-6 Termodynamik C. Norberg, LTH

6 NOLLTE HUVUDSATSEN TEMPERATUR VAD ÄR TEMPERATUR? Svaret ges av nollte huvudsatsen : SAMMA TEMPERATUR Två system sägs ha samma temperatur om de är i termisk jämvikt med varandra, d.v.s. om ingen förändring sker om de får kommunicera (bortsett från kemiska reaktioner). T(S 1 ) = T(S 3 ), T(S 2 ) = T(S 3 ) T(S 1 ) = T(S 2 ) OLIKA TEMPERATUR System S 1 och S 3 har varitikontakten längretidså att T(S 1 ) = T(S 3 ).NärS 3 försikontaktmeds 2 skermärkbaraförändringar. Om dessa inte beror på krafter mellan systemen sägs temperaturen för S 1 och S 2 vara olika. T(S 1 ) = T(S 3 ), T(S 2 ) T(S 3 ) T(S 1 ) T(S 2 ) MÄTNING AV TEMPERATUR Mätbara förändringar p.g.a. temperaturdifferens termometer volymsutvidgning, resistansändring, tryckändring,... Ch. 1-8 Termodynamik C. Norberg, LTH

7 TEMPERATURSKALOR INTERNATIONELLA TEMPERATURSKALAN (ITS) Ett antal olika fixerade temperaturer s.k. fixpunkter Specificerade termometrar att använda däremellan Praktisk skala, lätt att använda; senaste: ITS-90 Förfinas successivt till den termodynamiska temperaturskalan TERMODYNAMISKA TEMPERATURSKALAN(Lord Kelvin, 1848) Helt oberoende av fysikaliska egenskaper för något speciellt ämne. Bygger på teoretiska samband, är den riktiga temperaturen; opraktisk för direkta mätningar IDEALA GASSKALAN GASTERMOMETRAR Utnyttjar att PV = kt, k = konst. vid låga tryck 1. V = konst. P T 2. P = konst. V T Konstanten bestämd av någon fixerad temperatur, t.ex. vattens trippelpunkt (T tp = K) T( C) = T(K) Ch. 1-8 Termodynamik C. Norberg, LTH

8 THE STATE POSTULATE Enkelt kompressibelt system = system med försumbar påverkan av gravitation, rörelse, ytspänning, elektriska och magnetiska krafter. Tillståndspostulatet (The State Postulate) Tillståndet (jämviktstillståndet) för ett enkelt kompressibelt system är fullständigt beskrivet av två oberoende intensiva tillståndsstorheter. Postulatet är ett specialfall av Gibbs fasregel gällande flerkomponentsystem, se Ch. 16. För ett enkelt kompressibelt system är alltid temperatur T och volymitet v oberoende av varandra, d.v.s. varje kombination av T och v representerar ett unikt jämviktstillstånd. Om systemet endast har en närvarande fas (fast fas, vätska eller gas) är också temperatur T och tryck P oberoende. Om jämviktssystemet har två faser närvarande, t.ex. vätska och gas, så är tryck och temperatur beroende storheter d.v.s. knutna till varandra, T = f(p) eller omvänt. Endast en fas v = v(p,t) men inte v = v(ρ,t) ty v = 1/ρ. För gaser vid tillräckligt låga tryck gäller Ideala gaslagen: v = RT/P R = gaskonstant = R u /M, där M är gasens medelmolvikt (molmassa), R u = Jkmol 1 K 1 (universell gaskonstant). Ex. torr luft: M = kg/kmol R = Jkg 1 K 1. Ch. 1-6 Termodynamik C. Norberg, LTH

9 TILLSTÅNDSFÖRÄNDRINGAR = PROCESSER Betrakta ett slutet system i jämvikt med sin omgivning(tillstånd 1). Genom påverkan från omgivningen bibringas systemet ur denna jämvikt. Efter någon viss tid har systemet på nytt kommit i jämvikt(tillstånd 2). Systemet har genomgått en tillståndsförändring en process. Systemet har under processen växelverkat, d.v.s. haft ett utbyte, med omgivningen. Beskrivningen av hur processen gått till kallas processvägen (eng. process path). Kvasistatisk process: tillståndsförändringen sker så långsamt att avvikelser från jämvikt hela tiden är försumbara. Processen kan anses bestå av en serie jämviktslägen. Processens väg kan beskrivas exakt i ett s.k. tillståndsdiagram. Icke-kvasistatisk process: en exakt beskrivning av processvägen är omöjlig (avvikelser från jämvikt inte försumbara). Ch. 1-7 Termodynamik C. Norberg, LTH

10 PROCESSER... Kolvkompression av gas i en cylinder: Kvasistatisk kompression kräver mindre arbete. KRETSPROCESSER Kretsprocess = Cyklisk process (sluttillstånd = begynnelsetillstånd) Ch. 1-7 Termodynamik C. Norberg, LTH