1. Klasyfikacja systemów termodynamicznych ( system otwarty i zamknięty).
Systemem termodynamicznym nazywamy pewna ilość materii stanowiącą przedmiot analizy. Ilość materii musi być wybrana właściwie do rozpatrywanego problemu.
Podział systemów:
-
- system zamknięty, to taki system którego granica jest nieprzepuszczalna dla masy. Masa nie może przepływać prze granicę systemu zamkniętego ale system ten może wymieniać energie z otoczeniem w procesach przenoszenia ciepła i pracy.
- system otwarty, może wymieniać z otoczeniem masę i energię. Do systemu otwartego masa moż jednocześnie odpływać i dopływać.
2. Formy energii i systemu –energia kinetyczna, potencjalna i wewnętrzna.
Wyróżnia się dwie podstawowe formy energii:
- energia kinetyczna;
- energia potencjalna.
Energia kinetyczna +energia potencjalna =energia całkowita
Energia kinetyczna jest rezultatem ruchu:
- makroskopowego ( ruch na poziomie systemu),
- makroskopowego (ruch na poziomie molekuł).
Energia potencjalna –rezultat oddziaływania pól siłowych:
- oddziaływanie mikroskopowe –bliskiego zasięgu na poziomie struktury molekularnej, molekuły skupiają się wokół siebie;
- oddziaływanie makroskopowe –dalekiego zasięgu np. grawitacja namagnesowanie, naelektryzowanie, napięcie powierzchniowe Ep =mgh
Energia wewnętrzna (U) –pochodzi od wnętrza systemu, jest równa energii kinetycznej ruchu makroskopowego na poziomie molekuł i energii potencjalnej oddziaływania pól siłowych bliskiego zasięgu.
E =Ek+U+Ep –energia całkowita systemu
3. Formy energii wewnętrznej systemu – jawna, utajona, chemiczna, nuklearna.
Przyczyny powstawania energii wewnętrznej:
- ruch makroskopowy -ruch prostoliniowy, ruch drgający, ruch obrotowy.
Ponieważ intensywność ruchu molekuł objawia się zmianami temperatury systemu to ta część energii wewn. pochodząca od ruchu molekuł nazywa się energią wewnętrzną jawną.
Siły bliskiego zasięgu dają również wkład do energii wewnętrznej systemu. Wyróżnia się kilka rodzajów tych sił:
- siły działające między molekułami –wiążą one molekuły przyciągając się wzajemnie i są największe w ciałach stałych. Jeśli do materii będącej ciałem stałym doprowadzimy energię to siły te zostaną przezwyciężone co objawi się powiększeniem odległości między molekułami skutkiem czego będzie zmiana skupienia materii systemu ze stałego na ciekły. Jeśli do materii w ciekłym stanie skupienia doprowadzimy en. To siły molekularnego przyciągania zostaną całkowicie pokonane a materia zmieni swój stan skupienia na gazowy. Energia wewn. materii w stanie skupienia ciekłym jest wyższa niż w stanie stałym, a wstanie gazowym jest wyższa niż w ciekłym. Zmian stanu skupienia zachodzi przy niezmiennej temperaturze systemu to ta część en. wewn. która pochodzi od zmian stanu skupienia nazywa się energią wewnętrzną utajoną.
Następną przyczyna zmiany en. wewn jest zmiana sił wiążących atomy w molekułę. Jeśli materia systemu procesowi system zmieni swoją energię wewn. Energia pochodząca od zmiany sił wiążących atomy w molekułę objawia się w reakcjach chemicznych, np. reakcje spalania –jest to energia chemiczna.
Energia wewn. =energia wewn. jawna +energia wewn. utajona +energia chemiczna +energia jądrowa
4. Własności systemu –własności intensywne i ekstensywne.
Własność systemu jest to każda cecha charakterystyczna, która może być przypisana systemowi, np.: masa systemu –m [kg], objętość sys. v[m3], energia całkowita E[J], ciśnienie p[Pa, hPa...]
Własnościami intensywnymi są takie własności systemu, które nie ulegają zmianie przy podziale systemu na części, np. : zbiornik z gazem, gdzie temp i ciśnienie są własnościami intensywnymi. Własności te nie mogą być gromadzone bo nie tworzą zasobów.
Własności ekstensywne to takie, które zmieniają się przy podziale systemu na części. Dodanie do systemu dodatkowej masy powiększa zasób masy znajdującej się w systemie. Jeśli przyłączymy do systemu dodatkową objętość, to system powiększy swoją objętość. Proces taki nazywamy gromadzeniem własności ekstensywnych. Ważną cechą własności ekstensywnych jest to, że mogą być one gromadzone. Mówimy wtedy, że zwiększa się zasób masy systemu, energii całkowitej syst. energii wewnętrznej ...Dla własności ekstensywnych możemy pisać równania bilansów (masy, energii), które są podstawowymi narzędziami służącymi w analizie termodynamicznej, ale mnie możemy formułować równania bilansu temperatury czy bilansu ciśnienia.
7. Przemiany i cykle termodynamiczne
Każda zmiana, którą system przechodzi od jednego stanu równowagi do drugiego nazywa się przemianą termodynamiczną. Kolejno następujące po sobie stany równowagi systemu stanowiące przemianę nazywa się drogą przemiany. Tak więc na drodze przemiany wszystkie stany pośrednie jak i początkowe oraz końcowe są stanami równowagi. Także podczas przemiany termodynamicznej system zmienia swój stan w sposób ciągły w czasie od jednego stanu równowagi do następnego.
Jeśli z zależności V = fV(t) utworzymy funkcję odwrotną w postaci t = ft(x1) i podstawiamy do zależności z własności od czasu, to otrzymujemy x2 =fx2[ft(x1)]. W zależności tej czas został już wyeliminowany i przemiana termodynamiczna może być przedstawiona jako x2 = fx2(x1). Jeśli system podlega równowagowej przemianie termodynamicznej to równanie drogi przemiany może być przedstawione jako zależność między własnościami:
Każdy stan na drodze przemiany jest stanem równowagi.
Stany quasi równowagowe
stan quasi równowagowy – system termodynamiczny bliski stanu równowagi
Ponieważ przemiany termodynamiczne systemu dotyczą stanów równowagi to termodynamika klasyczna nie zajmuje się stanami nierównowagowymi, czyli stanami, które charakteryzują się również zmiennością przestrzenną własności systemu.
21
przemiana nierównowagowa bo występuje zmienność przestrzenna ciśnienia
p1 > p2 – gdy ruch tłoka jest bardzo szybki
Powolny proces kompresji
Jeśli proces kompresji jest wolny to ciśnienie zdąży się wyrównać w każdym punkcie.
przemiana równowagowa
p = f(x) – bo nie ma zmienności przestrzennej
Termodynamika badając przemiany quasi równowagowe i opisując rzeczywiste zjawiska za pomocą takich przemian w sposób niecałkowicie dokładny – tylko z pewnym przybliżeniem. Jednakże dla zastosowań technicznych przestrzenne rozkłady własności mogą być zaniedbane bo nie są one duże i wyniki otrzymywane metodami analizy termodynamiki klasycznej są wystarczająco dokładne dla większości zastosowań. Natomiast jeśli przestrzenna zmienność jest istotna w danym procesie to dla jego analizy należy posłużyć się metodami termodynamiki nierównowagowej. Ta ważna cecha przemian równowagowych polega na tym, że przestrzenna zmienność wartości systemu jest zaniedbywana, umożliwia graficzną ilustrację przemian termodynamicznych w postaci wykresów pokazujących zależność jednej własności od innych własności. Wszystkie stany na drodze równowagi są stanami równowagowymi.
W termodynamice przyjęto nadawanie przedrostka izo- nazwom przemian termodynamicznych, w których stałe są pewne własności:
- przemiana izobaryczna – przemiana, którą charakteryzuje się stałą własnością ciśnienia;
- przemiana izochoryczna – przemiana, charakteryzuje się stałą własnością objętości;
- przemiana izotermiczna – przemiana, charakteryzuje się stałą własnością temperatury;
- przemiana izotropowa – stała własność entropii;
- przemiana adiabatyczna – system nie wymienia ani masy, ani energii z otoczeniem.
Jeśli przemiana termodynamiczna przebiega w ten sposób, że na końcu przemiany system wraca do stanu początkowego, to przemianę taką nazywamy cyklem termodynamicznym.
stan 1 = stan 2
8. Postulat stanu, prosty stan ściśliwy
Stan systemu scharakteryzowany jest przez zbiór jego własności. Doświadczalnie stwierdzono, że nie wszystkie własności muszą być znane, aby określić stan systemu, bo jeśli znamy pewną liczbę własności to inne własności mogą być wyliczone na podstawie tych, które znamy.
Liczba własności charakteryzujących stan systemu zależy od stopnia złożoności systemu. W termodynamice wprowadza się pojęcie prostego systemu ściśliwego. Jest to najprostszy system definiowany przez termodynamikę. Dla takiego systemu najmniejsza liczba własności charakteryzujących jego stan definiowana jest przez postulat stanu mówiący, że stan prostego systemu ściśliwego charakteryzują dwie niezależne własności. Z fizycznego punktu widzenia prosty system ściśliwy to taki, którego materia (tworząca masę systemu) jest jednofazowa i jednoskładnikowa, a system nie jest poddany siłowym oddziaływaniom dalekozasięgowym (grawitacja, namagnesowanie, pole elektryczne makroskopowe, napięcie powierzchniowe). Przykładem może być chemicznie czysta woda, która jest prostym systemem ściśliwym, której stan może być scharakteryzowany własnościami ciśnienia i temperatury (czysty tlen – prosty system ściśliwy).
9. Ciśnienie absolutne, nadciśnienie i podciśnienie
Ciśnienie jest siłą, którą wywiera płyn na jednostkową powierzchnię.
p = N/m2 = Pa; hPa = 100 Pa; MPa = 106 Pa; kPa = 103 Pa; Bar = 105 Pa
Do pomiaru ciśnienia używa się różnych manometrów. Jeśli manometr określa o ile ciśnienie płynu jest wyższe od ciśnienia atmosferycznego to mówimy, że mierzy on nadciśnienie. Zazwyczaj wartościom liczbowym nadciśnienie przyjmuje znak dodatni. Jeśli manometr mierzy o ile ciśnienie płynu jest niższe od ciśnienia atmosferycznego i ciśnienie wskazywanego przez manometr (podciśnienia lub nadciśnienia) nazywamy ciśnieniem absolutnym.
10. Zerowa zasada termodynamiki i temperatura
W podstawowym rozumieniu temperaturę odnosimy do stanu (stopnia) nagrzania czegoś co jest obiektem naszego zainteresowania.
Używamy różnych terminów do wyrażenia stopnia nagrzania. Stopień nagrzania do temperatury ciała ludzkiego może oznaczać około 40˚C, natomiast w odniesieniu do hutniczego procesu technologicznego – wysoki stopień nagrzania, może oznaczać temperatury bliskie 1000˚C. Zatem jakościowa ocena stopnia nagrzania nie jest obiektywna, zleży od tego co jest przedmiotem rozważań. Zatem istnieje potrzeba ilościowej oceny (za pomocą liczb) stopnia nagrzania. Dokonujemy tego za pomocą temperatury.
Okazuje się, że pewne substancje zamieniają swoje własności wraz z temperaturą w istotnym zakresie i w powtarzalny sposób. Przykład: rozszerzalność objętościowa rtęci wraz z temperaturą. Własności takie wykorzystywane są do budowy termometrów. Konstrukcja i metoda jego działania opiera się o „0” zasadę termodynamiki, która stanowi że:
Jeśli dwa systemy termodynamiczne nie kontaktują się ze sobą, są w stanie równowagi termicznej z systemem trzecim, to są one w stanie równowagi termicznej względem siebie.
Równowaga termiczna oznacza równość temperatury, a więc „0” zasada mówi, że jeśli temperatury dwóch systemów nie kontaktujących się ze sobą, są takie same jak temperatura systemu trzeciego to również temperatury dwóch nie kontaktujących się systemów są takie same. Ponieważ powyższego wniosku nie można wyprowadzić, został przyjęty on jako „0” zasada termodynamiki.
Skale termometryczne
- skala Celsiusza – oparta jest o dwa charakterystyczne punkty: temperaturę topnienia lodu wodnego, której przypisuje się 0˚C (przy ciśnieniu 160 mmHg); temperatura wrzenia wody przy ciśnieniu 760 mmHg, a przypisuje się jej wartość 100˚C. W skali tej możliwe są temperatury ujemne.
- Skala Kelwina – 1K odpowiada 1˚C, a 0˚C = 273,15K. Jeśli temperaturę w ˚C oznacza się przez t[˚C] to wartość tej temperatury wyrażona w Kelwinach wynosi T[K] = t[˚C] + 273,15K. Ponieważ w temperaturowej skali Kelwina nie są możliwe ujemne temperatury, to skalę tą nazywa się skalą absolutną.
Istnieją inne też skale: Fahrenheita, Rankine.
11. Proces zmiany fazy substancji czystej. Opis przemiany przy stałym ciśnieniu
Substancja czysta w rozumieniu termodynamiki to taka, która ma niezmienny skład chemiczny w całej przestrzeni, którą zajmuje, np.
czysty chem. Azot N2 czysta chm. Woda H2O
W powyższych przykładach jako substancje czyste występują substancje jednoskładnikowe. Jednak w termodynamice jako substancje czyste mogą występować mieszaniny dwóch składników o ile w całej przestrzeni, którą wypełnia taka mieszanina jej skład chemiczny jest jednakowy, np. w powietrzu.
Będę rozważać proces zmiany fazy substancji czystej z ciekłej na gazową. Jako przykład będę omawiać wodę. Rozpatrywać będę proces przemiany fazowej przebiegającej izobarycznie ( p=const ). Posługuję się w tym celu naczyniem zamkniętym tłokiem, bo za pomocą tego tłoka będę utrzymywać stałe ciśnienie substancji w procesie przemiany jej fazy. Jak wiadomo, żeby taki proces zrealizować musimy dostarczać energię.
Ponieważ temp. wody w stanie 1 jest niższa niż temp. wrzenia przy ciśnieniu 1atm to wodę w tym stanie termodynamicznym nazywamy cieczą pod ciśnieniem
Stan 2 temp. wody 100°C
Jak wiadomo z doświadczenia jeśli temp. wody osiągnie 100°C to przy ciśnieniu 1atm rozpoczyna się proces wrzenia, który polega na powstawaniu fazy gazowej z cieczy wrzącej. Po osiągnięciu stanu wrzenia rozpoczyna się proces generacji nowej fazy przy czym temp. cieczy wrzącej jak i temp. powstającej fazy parowej są takie same, czyli obie fazy są w stanie równowagi termodynamicznej. Nowo powstała faza charakteryzuje się bardzo dużą objętością w porównaniu do objętości cieczy z której ona powstała.
12. Temperatura wrzenia i ciśnienie wrzenia
Temperatura wrzenia jest to temperatura, przy której ciecz przechodzi z fazy ciekłej w fazę gazową w całej swojej objętości. Każdej temperaturze wrzenia odpowiada ciśnienie wrzenia. Im wyższe jest ciśnienie wrzenia tym wyższa jest temperatura wrzenia.
13. Izobaryczny proces zmiany fazy
STAN 1 – ciecz pod ciśnieniem (przechłodzona)
STAN 2 – ciecz wrząca
STAN 3 – para wilgotna – system dwufazowy (para i woda wrząca)
STAN 4 – para sucha nasycona
STAN 5 – para przegrzana (para powyżej temperatury wrzenia)
Δυ – różnica pary suchej nasyconej a cieczy wrzącej
‘ – odnosi się do wody wrzącej; ‘’ – odnosi się do pary suchej nasyconej
14. Punkt krytyczny. Własności substancji w punkcie krytycznym
Punkt odpowiadający krytycznemu oznaczamy literą K. Cechą punktu krytycznego jest to, że izobara w punkcie krytycznym zmienia się z wypukłej na wklęsłą. Dla wody parametry punktu krytycznego są następujące:
Parametrami punktu krytycznego są:
- ciśnienie krytyczne – jest to tak wysokie ciśnienie, przy którym objętość powstającej pary suchej nasyconej jest równa objętości cieczy nasyconej, z której ta para powstaje;
- temperatura krytyczna – temperatura odpowiadająca ciśnieniu krytycznemu.
Zbiór punktów odpowiadający stanom wrzącej cieczy oraz parze suchej nasyconej, tworzy krzywą mającą maksimum w punkcie w punkcie krytycznym. Krzywa ta nosi nazwę krzywej granicznej.
17. Parametry termodynamiczne mieszaniny równowagowej para + ciecz wrząca , para wilgotna
Para wilgotna składa się z cieczy wrzącej, której własności są takie same jak na krzywej granicznej odpowiadającej stanom cieczy wrzącej i pary suchej nasyconej, której własności są takie same jak stany pary suchej nasyconej
Bonifacy7