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

Relevanta dokument
Ch. 2-1/2/4 Termodynamik C. Norberg, LTH

TERMODYNAMIK? materialteknik, bioteknik, biologi, meteorologi, astronomi,... Ch. 1-2 Termodynamik C. Norberg, LTH

Termodynamik FL1. Energi SYSTEM. Grundläggande begrepp. Energi. Energi kan lagras. Energi kan omvandlas från en form till en annan.

Två system, bägge enskilt i termisk jämvikt med en tredje, är i jämvikt sinsemellan

Arbete är ingen tillståndsstorhet!

Termodynamik Föreläsning 1

OMÖJLIGA PROCESSER. 1:a HS: Q = W Q = Q out < 0 W = W net,out > 0

Om trycket hålls konstant och temperaturen höjs kommer molekylerna till slut att bryta sig ur detta mönster (sublimation eller smältning).

MMVA01 Termodynamik med strömningslära

EGENSKAPER FÖR ENHETLIGA ÄMNEN

Termodynamik Av grekiska θηρµǫ = värme och δυναµiς = kraft

Arbetet beror på vägen

ENERGI? Kylskåpet passar precis i rummets dörröppning. Ställ kylskåpet i öppningen

MMVA01 Termodynamik med strömningslära

Termodynamik (repetition mm)

MMVF01 Termodynamik och strömningslära

Föreläsning 14: Termodynamiska processer, värmemaskiner: motor, kylskåp och värmepump; verkningsgrad, Carnot-cykeln.

Kap 7 entropi. Ett medium som värms får ökande entropi Ett medium som kyls förlorar entropi

Vad tror du ökning av entropi innebär från ett tekniskt perspektiv?

7. Inre energi, termodynamikens huvudsatser

Termodynamik och inledande statistisk fysik

Kapitel III. Klassisk Termodynamik in action

Entropi. Det är omöjligt att överföra värme från ett "kallare" till ett "varmare" system utan att samtidigt utföra arbete.

Kap 3 egenskaper hos rena ämnen

Repetition. Termodynamik handlar om energiomvandlingar

FUKTIG LUFT. Fuktig luft = torr luft + vatten m = m a + m v Fuktighetsgrad ω anger massan vatten per kg torr luft. ω = m v /m a m = m a (1 + ω)

Fysikaliska modeller

Kap 3 egenskaper hos rena ämnen

Termodynamik Föreläsning 4

Repetition F9. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Lösningsförslag. Tentamen i KE1160 Termodynamik den 13 januari 2015 kl Ulf Gedde - Magnus Bergström - Per Alvfors

Nollte huvudsatsen och temperatur. mekanisk jämvikt

ARBETSGIVANDE GASCYKLER

18. Fasjämvikt Tvåfasjämvikt T 1 = T 2, P 1 = P 2. (1)

Övningsuppgifter termodynamik ,0 kg H 2 O av 40 C skall värmas till 100 C. Beräkna erforderlig värmemängd.

Entropi, energikvalitet och termodynamikens huvudsatser

Till alla övningar finns facit. För de övningar som är markerade med * finns dessutom lösningar som du hittar efter facit!

Termodynamik Föreläsning 7 Entropi

Termodynamik FL7 ENTROPI. Inequalities

SG1216. Termodynamik för T2

David Wessman, Lund, 29 oktober 2014 Statistisk Termodynamik - Kapitel 3. Sammanfattning av Gunnar Ohléns bok Statistisk Termodynamik.

Studieanvisningar i statistisk fysik (SI1161) för F3

Planering Fysik för n och BME, ht-15, lp 1 Kurslitteratur: Göran Jönsson: Fysik i vätskor och gaser, Teach Support 2010 (eller senare). Obs!

Applicera 1:a H.S. på det kombinerade systemet:

Planering Fysik för V, ht-10, lp 2

Kap 6 termodynamikens 2:a lag

Kap 6 termodynamikens 2:a lag

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Flytande fas Gasfas

Temperatur T 1K (Kelvin)

Teknisk termodynamik repetition

LABORATION 3 FYSIKLINJEN AK1. Denna laboration gar ut pa att studera sambandet mellan tryck och temperatur,

Innehållsförteckning. I. Introduktion och första grundlagen I.1. Överblick och motivation

Kapitel I. Introduktion och första grundlagen

Termodynamik FL4. 1:a HS ENERGIBALANS VÄRMEKAPACITET IDEALA GASER ENERGIBALANS FÖR SLUTNA SYSTEM

Kapitel I. Introduktion och första grundlagen. Kursmaterialet: Jens Pomoell 2011, Mikael Ehn

Planering Fysik för V, ht-11, lp 2

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Kapitel IV. Partikeltalet som termodynamisk variabel & faser

Kapitel 5. Gaser. är kompressibel, är helt löslig i andra gaser, upptar jämt fördelat volymen av en behållare, och utövar tryck på sin omgivning.

Föreläsning 2.3. Fysikaliska reaktioner. Kemi och biokemi för K, Kf och Bt S = k lnw

Kapitel 6. Termokemi

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 2 IKP/Mekaniksystem Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 2

Kapitel 6. Termokemi. Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws

Repetition F7. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

6. Värme, värmekapacitet, specifik värmekapacitet (s )

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Flytande fas Gasfas

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 13-18

Tentamen i KFK080 Termodynamik kl 08-13

Tentamen i termodynamik. 7,5 högskolepoäng. Namn: (Ifylles av student) Personnummer: (Ifylles av student)

Kap 4 energianalys av slutna system

Övningstentamen i KFK080 för B

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Fast fas Flytande fas Gasfas

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi. Spontanitet Entropi Fri energi Jämvikt

Kap 6 termodynamikens 2:a lag

Termo T konc. Tony Burden Institutionen för mekanik, KTH, Stockholm. Version 5.0 mars 2008

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Kapitel 6. Termokemi

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi

CH. 1 TERMODYNAMIKENS GRUNDER

Termodynamik Föreläsning 3

Repetition F8. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Termodynamik FL6 TERMISKA RESERVOARER TERMODYNAMIKENS 2:A HUVUDSATS INTRODUCTION. Processer sker i en viss riktning, och inte i motsatt riktning.

PTG 2015 övning 1. Problem 1

Termo T konc. Tony Burden Institutionen för mekanik, KTH, Stockholm. Version 5.2 mars 2010

CH. 1 TERMODYNAMIKENS GRUNDER

CH. 1 TERMODYNAMIKENS GRUNDER

Teknisk termodynamik 5 hp. Välkomna till teknisk termodynamik!

Kapitel 6. Termokemi. Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Repetition F4. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

MEKANIK KTH Forslag till losningar till Sluttentamen i 5C1201 Stromningslara och termodynamik for T2 den 30 augusti Stromfunktionen for den ho

3. En konvergerande-divergerande dysa har en minsta sektion på 6,25 cm 2 och en utloppssektion

Överhettad ånga, Table A-6 (2.5 MPa): T [ C] v [m 3 /kg] ? Linjär interpolation:

Räkneövning 2 hösten 2014

U = W + Q (1) Formeln (1) kan även uttryckas differentiells, d v s om man betraktar mycket liten tillförsel av energi: du = dq + dw (2)

Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk fysik för F3

Termodynamik. Dr Mikael Höök,

v = dz Vid stationär (tidsoberoende) strömning sammanfaller strömlinjer, partikelbanor och stråklinjer. CH Strömningslära C.

Allmän kemi. Läromålen. Viktigt i kap 17. Kap 17 Termodynamik. Studenten skall efter att ha genomfört delkurs 1 kunna:

Transkript:

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

TERMODYNAMIKENS UPPBYGGNAD Klassisk termodynamik makroskopiskt synsätt (statistisk d:o mikroskopiskt synsätt) Fyra huvudsatser (HS) baserade på experiment/erfarenhet 1 1939 0: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 1906 3:e HS: Definition av entropins absolutvärde Medieegenskaper måste hämtas från experimentella data Aggregationstillstånd (faser): fast, flytande och gasformig fas 2 1 1824: 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

1:A och 2:A HUVUDSATSEN Den tyske fysikern Rudolf Clausius summerade 3 1865 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 (1822 1888) 3 Ueber verschiedene für die Anwendung bequeme Formen der Hauptgleichungen der mechanischen Wärmetheorie. Annalen der Physik und Chemie 5(5), 353 400 (1865). Ch. 1 Termodynamik C. Norberg, LTH

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

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

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

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 = 273.16 K) T( C) = T(K) 273.15 Ch. 1-8 Termodynamik C. Norberg, LTH

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 = 8314.47 Jkmol 1 K 1 (universell gaskonstant). Ex. torr luft: M = 28.97 kg/kmol R = 287.0 Jkg 1 K 1. Ch. 1-6 Termodynamik C. Norberg, LTH

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

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