Termodynamik Av grekiska θηρµǫ = värme och δυναµiς = kraft

Transkript

1 Termodynamik Av grekiska θηρµǫ = värme och δυναµiς = kraft Termodynamik = läran om värmets natur och dess omvandling till andra energiformer (Nationalencyklopedin, band 18, Bra Böcker, Höganäs, 1995) 1 Energi (fr. énergie, lat. energia, grek. energiea = verksamhet, handlingskraft) Betecknas E i denna kurs (W i vissa gymnasieböcker) Exempel: Rörelseenergi (vid låga farter v c) E k = mv2 2 Skalär storhet (saknar riktning) Bevarad i alla processer Allt som händer innebär energiomsättning dvs energi går från en form till en annan. Termodynamik handlar om energiomvandlingar 2

2 Termodynamikens första huvudsats: (Energiprincipen) Energi kan inte skapas och inte förstöras bara omvandlas från en form till en annan!! Termodynamikens andra huvudsats handlar om energikvalitet; t.ex. Det går inte att helt omvandla värmeenergi till t.ex. mekanisk energi Värme går från varmt till kallt 3 Materien består av atomer som bygger upp molekyler som bygger upp den makroskopiska materien. I termodynamiken: makroskopiska egenskaper utan att bry sig om atomer eller molekyler (men ibland går det enklare att förstå om man tänker på dem) Termodynamiskt system = system så stort att man kan behandla systemet utan att bry sig om enskilda partiklar. Statistisk mekanik/statistisk termodynamik behandlar partiklarna statistiskt - sannolikheter för olika processer från partiklarnas egenskaper bro mellan partikeltänkande och makroskopiska teorier - t.ex. termodynamiken 4

3 Termodynamikens ursprung: Försöka förbättra verkningsgraden hos ångmaskiner (kring år 1800) Sadi Carnot: Réflexions sur la puissance notrice du feu (1824, Reflexioner om eldens rörelsekraft ) [Länge bortglömt] Kring 1850: Rankine, Clausius, Lord Kelvin (William Thomson) klassisk termodynamik Slutet av 1800-talet: Boltzmann, Planck (statistisk termodynamik) 5 System (Çengel, 1-3) System = avgränsat område som vi tittar på, t.ex. kaffekoppen, cylindern i en motor,... Öppet system (control volume, open system)= system d är materia kan komma in och ut (t.ex. kaffekoppen, jetmotor...) måste definiera en systemgräns (control surface) Slutet system (control mass, closed system)= ingen materia kan komma över systemgränserna (t.ex. konservburk). Isolerat system = ingenting (varken energi eller materia) kan ta sig in eller ut ur systemet 6

4 Exempel Avgör om följande system är öppna, slutna, isolerade eller.. 1. Frysskåp 2. Soppgryta 3. Bildäck 4. Cylinder i en bilmotor 5. Kaffetermos (med locket på) 6. Universum 7 Energiformer (Çengel 1-4) makroskopiska Rörelseenergi/kinetisk energi (för hela systemet) Lägesenergi/potentiell energi (för hela systemet) mikroskopiska = inre energi (internal energy) Förnimbar energi (sensible energy) = den energi som beror på molekylernas rörelseenergi - translation, rotation, vibration etc. Bunden energi (latent energy) = den energi som kan frigöras vid fasövergångar, i allmänhet växelverkan mellan molekyler Kemisk energi - beror på bindningar inom molekylerna Kärnenergi (nuclear energy) 8

5 Totala energin för ett system: E tot = E k + E p + U = mv2 2 + mgh + U där E k = KE = Systemets rörelseenergi (kinetic energy) E p = PE = Systemets lägesenergi (potential energy) U = Inre energin m = Systemets massa h = Systemets höjd över en referensnivå g 9,82m/s 2 = Tyngdfaktorn V = Systemets fart I många fall i termodynamiken: stationärt (stationary) system d.v.s. E k och E p oförändrade och således E tot = U 9 Systems egenskaper (properties) kan vara (Çengel 1-5) intensiva, d.v.s.inte beroende av hur stort systemet är, exempel temperatur, densitet (ρ = m/v ) extensiva, beroende av hur stort systemet är, exempel massa, volym 10

6 Tillstånd Termodynamiskt tillstånd (thermodynamical state) defineras av alla makroskopiska variabler som beskriver systemet, tex. p, V, T, N, ρ = m/v (densitet), osv. osv. Tillstånded för ett enkelt kompressiblet system beskrivs fullständigt av två oberoende intensiva tillståndsvariabler, t.ex. p, T (Dessutom måste naturligtvis systemets storlek vara känd) [Enkelt kompressibelt system: Endast ett ämne, volymen ändras då trycket ändras, t.ex. en ren gas] 11 Tillståndsändring = termodynamisk process (Yttre påverkan (värme, arbete etc.) Nytt tillstånd (efter väntan på jämvikt.) isoterm = temperaturen konstant isokor = volymen konstant isobar = trycket konstant (adiabatisk = utan värmeutbyte med omvärlden (jfr. senare)) 12

7 Termodynamiskt jämvikt (equilibrium) = det tillstånd ett (slutet) system uppnår efter lång tid (då alla förändringar upphört). Termisk jämvikt = Temperaturen samma i hela systemet ( inget värmeflöde Mekanisk jämvikt = Ingen ändring av trycket med tiden i hela systemet (trycket kan dock vara olika i olika delar) Fas -jämvikt = mängderna av olika faser (t.ex. vätska och gas) oförändrade (dock vandrar molekyler hela tiden mellan faserna - fast lika många åt vardera hållet) Kemisk jämvikt = Ingen ändring av systemets kemiska sammansättning med tiden (dock vandrar molekyler hela tiden mellan de olika ämnena - fast lika många åt vardera hållet) 13 Temperatur OBS! Skilj på termodynamisk temperatur och upplevd temperatur! Upplevd temperatur baseras på värmetransporten bort från kroppen, inte temperaturen i sig! Termodynamikens nollte huvudsats Två system som är i termodynamisk jämvikt med varandra har samma temperatur. (egentligen: om två system är i termisk jämvikt med varandra och ett av dem är i termisk jämvikt med ett tredje system så är också det andra systemet i jämvikt med det tredje ) 14

8 Enheter Absolut temperatur (temodynamiska temperaturskalan): kelvin (1K=1/273,16 av temperaturen för vattnets trippelpunkt) Trippelpunkt: Den temperatur vid vilken gas, vätska och fast fas står i jämvikt med varandra 1 C -celsius samma avstånd mellan temperaturer som i K, men med annan nollpunkt, T = t + 273, 15. (T=temperaturen i kelvin, t=temperaturen i C) Kinetisk energi i materia Partiklarna i all materia är i (oordnad) rörelse (värmerörelse) med stor energi (t.ex. 150 J för 1 l luft vid rumstemperarur) (Kinetisk energi E k för denna rörelse är proportionell mot temperaturen i Kelvin.) 15 Bindningsenergi (Young & Friedman kap 18.2) Elektromagnetisk växelverkan håller ihop partiklar (atomer, molekyler) i s.k. kondenserade faser (Vätskor, fasta kroppar) Attraktiv (tilldragande) kraft p.g.a. elektromagnetisk växelverkan E a. Kvantmekanisk repulsiv (frånstötande) växelverkan E r. 16

9 Växelverkan mellan två atomer i (t.ex.) vätska Potentiell energi r 0 E a Attraktion (tilldragande) E r Repulsion (frånstötande) E Summa Avstånd E b r 0 jämviktsavstånd. E = E a + E r har ett minimum som ger bindningenergin E b = E(r 0 ), den energi som måste tillföras för att partiklarna skall skiljas åt. Om partiklarna har kinetisk energi: Avståndet varierar i gropen (asymmetriskt kring minimet) 17 Värmeutvidgning (Young & Friedman kap. 17.4) Konsekvens av ökad rörelse och större avstånd i fasta ämnen och vätskor. Längdutvidgningen (linear thermal expansion) ges av (med L 0 = ursprunglig längd för föremålet) L = αl 0 T med α= längdutvidgningskoefficient (coefficient of linear expansion) L = L 0 + L = L 0 + L 0 α T = L 0 + L = L 0 (1 + α T) 18

10 För vätskor och gaser används volymsutvidgning (volume thermal expansion) V = βv 0 T med β= volymsutvidgningskoefficient (coefficient of volume expansion) [vissa böcker använder α V i.st.f. β] och V = V 0 + V = V 0 + V 0 α T = V 0 + V = V 0 (1 + β T) Fasta ämnen (sätt V = L 3 och V 0 = L 3 0 ) V = (L 0 (1 + α T)) 3 = V 0 (1 + 3α T +...) β 3α 19 Substansmängd (Young & Friedman Ch. 18.2) Det antal partiklar ett system innehåller SI-enhet: 1 mol = den mängd av en substans som innehåller N A partiklar ( 6, partiklar). N A = Avrogadros tal (definerat som det antal kolatomer det finns i 12 g av 12 C). Molmassa M = hur stor massa en mol av ett ämne har (ex syre 16 g, vatten 18,02 g) Atommassenhetet 1 u = 1 g/n A = 1, kg Relativa molekylmassan M r = m/u (dimensionslös) anger massan för en molekyl delat med 1 u (ex syreatom M r = 16, vatten M r = 18,02) 20