Dermodünaamika (1)

Termodünaamika
· Termodünaamika käsitleb soojusülekannet ja soojuse
muundumist tööks
· Termodünaamika tegeleb igasugust kütust tarbivate
masinate konstrueerimise üldiste
seaduspärasustega.
· Termodünaamika on makrokäsitlus. Seepärast on
kasutusel makroparameetrid ­ p, V, T, Q, U, m.
· Termodünaamika põhineb kahele printsiibile ­ need
on TD I ja II printsiip
Ideaalse gaasi siseenergia
·Siseenergia on keha molekulide soojusliikumise
keskmise kineetilise energia ning molekulidevahelise
vastasmõju potentsiaalse energia summa.
E = Ekin + Epot .
·Ideaalse gaasi puhul potentsiaalset energiat ei ole,
seega siseenergia sõltub vaid kineetilisest energiast.
·Kineetiline energia sõltub temperatuurist. Seega ­
Keha siseenergia sõltub keha temperatuurist.
Keha temperatuuri muutmise
viisid
Keha temperatuuri,seega ka siseenergiat, saab muuta
kahel viisil
1. Juurde või äraantava soojuse kaudu
U = Q
2. Tööga, mis tehakse välisjõudude poolt süsteemi jõudude
vastu või mida süsteem ise teeb välisjõudude vastu
U = A (Välisjõudude töö on positiivne, süsteemi enda töö
negatiivne)
Molekulide kineetiline energia
muutub.
· Molekulide omavahelistel põrgetel annavad suurema
energiaga molekulid osa energiast ära väiksema
energiaga molekulidele.
· Selle tulemusena suureneb nende energia ­ nende
kiirus kasvab.
· Sama protsess toimub ka erinevates kehades olevate
molekulide vahel kui kehad on omavahel kontaktis.
· Siis ütleme et soojus läheb soojemalt kehalt
külmemale.
Soojusvahetus
T1 > T2
QA
A B
T1 T2
QB
Kui temperatuurid
võrdsustuvad, protsess
QÜ = QAQB lakkab. Saabub soojuslik
tasakaal
Soojushulk
· Soojus ei ole füüsikaliselt mingi asi, mis füüsiliselt
kandub ühelt kehalt teisele. Reaalselt kandub üle
energia.
· Füüsikaliseks suuruseks, mis seda kirjeldab on
soojushulk Q.
Q = mc(t2t1).
Soojushulk on energia, mille keha soojusvahetusel saab
või ära annab. Soojushulga mõõtühikuks on 1J
Soojusülekanne
· Siseenergia levimist ühelt
kehalt teisele või ühelt
kehaosalt teisele nim.
soojusülekandeks.
· Soojusülekandes levib
siseenergia soojemalt kehalt
külmemale.
Soojusülekande liigid
Iga keha võib soojust ära anda ja vastu võtta
Selleks on kolm viisi:
a) Soojusjuhtivus
b) Konvektsioon
c) Soojuskiirgus
Keha soojuse äraandmisvõime sõltub keha
temperaturist, massist, pindalast ja pinna
omadustest.
Soojusjuhtivus
· Soojusülekannet, kus energia
levib ühelt aineosakeselt
teisele, ilma et aine ümber
paikneks, nim.
soojusjuhtivuseks.
Konvektsioon
· Soojusülekannet, kus energia
levib vedeliku või gaasivoolude
liikumise tõttu, nim.
konvektsiooniks.
Soojuskiirgus
· Soojusülekannet, kus energia
levib kiirgusena, nim.
soojuskiirguseks
Kiirgumise
seaduspärasused
· Mida kõrgem on keha temperatuur, seda
intensiivsem on soojuskiirgus
· Mida tumedam on kiirgava keha pind, seda
intensiivsem on soojuskiirgus.
· Mida suurem on keha pindala, seda rohkem
energiat keha ajaühikus kiirgab.
Neeldumise
seaduspärasus
· Kiirguse muundumist keha
siseenergiaks nim.
neeldumiseks.
· Mida tumedam on pind seda
rohkem energiat keha ajaühikus
neelab.
Temodünaamika I printsiip
Eelnevat kokku võttes saame : U = Q + A Siseenergia
muut on võrdne süsteemile antud soojushulga ja
välisjõudude poolt tehtava töö summaga.
Ehk
Q = U ­ A
Süsteemile antud soojuse arvel suureneb süsteemi
siseenergia ning süsteem teeb välisjõudude
ületamiseks tööd.
Perpetuum mobile ?
Kui süsteemile soojust ei anta, saab ta tööd teha
ainult siseenergia arvel. See tähendab
0 = U ­ A U = A
Siseenergia vähenemisega temperatuur langeb
ning kui T=0, siis ka U=0 ja tööd ei ole võimalik
teha.
Igiliikur on võimatu!
Ideaalse gaasi siseenergia
· Siseenergia on keha molekulide soojusliikumise keskmise
kineetilise energia ning molekulidevahelise vastasmõju
potentsiaalse energia summa.
· E = Ekin + Epot
· Ideaalse gaasi puhul potentsiaalset energiat ei ole, seega
siseenergia sõltub vaid kineetilisest energiast.
· Kineetiline energia sõltub temperatuurist. Seega ­ Keha
siseenergia sõltub keha temperatuurist.
Keha temperatuuri muutmise
viisid
Keha temperatuuri,seega ka siseenergiat, saab muuta kahel viisil
o Juurde- või äraantava soojuse kaudu
Q = U
o Tööga, mis tehakse välisjõudude poolt süsteemi jõudude vastu või
mida süsteem ise teeb välisjõudude vastu
A = U
(Välisjõudude töö on positiivne, süsteemi enda töö negatiivne)
Temodünaamika I printsiip
Eelnevat kokku võttes saame :
U = Q + A
Siseenergia muut on võrdne süsteemile antud
soojushulga ja välisjõudude poolt tehtava töö summaga.
Ehk
Q = U ­ A
Süsteemile antud soojuse arvel suureneb süsteemi
siseenergia ning süsteem teeb välisjõudude
ületamiseks tööd.
Töö gaasi ruumala
muutumisel
V =V1 ­ V2
A = F h V F= p S A = A = p S h Gaasi töö
h
S h = V V2 paisumisel on
negatiivne selle
V1 A = p V tulemusena
siseenergia
väheneb)
Töö isoprotsessidel
1. Isohooriline protsess (V= const) .
Q = U A
A= pV ; V = 0 A=0
Q = U
Kogu juurdeantav energia läheb
siseenergia suurendamiseks.
Töö isoprotsessidel
2. Isobaariline protsess (p= const)
A = p V Q = U p V
Juurdeantav soojushulk jaguneb
paisumisel tehtava töö ja siseenergia
muudu vahel
Töö isoprotsessidel
3. Isotermiline protsess(T=const).
T = 0 U~T U =0
Q = U A Q = A
Kogu juurdeantav energia läheb tööks. See on
soodsaim võimalus, paraku tehniliselt võimatu
lahendada.Reaalselt on järjepidevalt võimalik
soojust tööks muundada vaid tsüklilisel
protsessil.
Adiabaatiline protsess
Adiabaatiliseks nimetatakse protsessi,
mille vältel süsteem ei ole
väliskeskkonnaga soojusvahetuses.
Gaasi adiabaatilisel kokkusurumisel gaasi
siseenergia kasvab.
Q = 0 => U = A
Carnot tsükkel
Sadi Nicolas Léonard Carnot
1796 1832
Soojusmasina tööpõhimõte
Soojusmasin muundab
Soojendi T1 siseenergia mehaaniliseks
energiaks
Q1
Töötav keha A = Q1 ­ Q2
Et soojusmasin töötaks,
Q2 peab sojendi temperatuur
olema kõrgem kui jahutil
Jahuti T2
T1 > T2
Soojusmasina kasutegur
Q1 ­ Q2
= * 100 %
Q1
T1 T2
max =
T1
Perpetuum mobile ?
Kui süsteemile soojust ei anta, saab ta tööd teha
ainult siseenergia arvel. See tähendab
0 = U ­ A U = A
Siseenergia vähenemisega temperatuur langeb
ning kui T=0, siis ka U=0 ja tööd ei ole võimalik
teha.
Igiliikur on võimatu!
TERMODÜNAAMIKA II
PRINTSIIP
· Termodünaamika printsiipe ei saa tõestada, nad on
inimkonna kogemuse üldistused.
· Lisaks energia jäävuse seadusele kehtib looduses veel üks
printsiip mis kirjeldab nähtuste iseeneslikku kulgu
looduses.
Kuuma ja külma vee segunemine
Õuna kukkumine puu otsast
Õhupalli tühjenemine
Tuba ei lähe korda iseenesest
TD II printsiibi sõnastusi
· Rudolf Clausius. Soojus ei saa iseenesest minna
külmemalt kehalt kuumemale.
· Suletud süsteem püüab üle minna korrastatud olekult
mittekorrastatule.
· L.Boltzmann. Loodus püüab üle minna vähem tõenäoliselt
olekutelt tõenäolisematele
· Suletud süsteemis süsteemi entroopia kasvab.
Entroopia - S
· Entroopia on suurus, mis iseloomustab energia kvaliteeti. Mida
kõrgem on kvaliteet, seda madalam on entroopia.
· Entroopia on suurus, mis iseloomustab termodünaamilise
süsteemi kaugust tasakaalust. Mida tasakaalulisem on süsteem,
seda suurem on entroopia.
· Entroopia on suurus, mida kasutatakse TD II printsiibi
sõnastamisel. Iseeneslikes protsessides süsteemi entroopia kasvab.
· Entroopia on suurus, mis iseloomustab mikrokäsitluses süsteemi
osakeste jaotuse ühtlust. Mida ühtlasem on jaotus, seda suurem on
entroopia.
Ainete klassifitseerimine agregaatolekute
alusel
AINED
Agregaatolekud Gaasid
Tahked ained
Vedelikud Aine lõtvolek
Aine
tihkolekud
Molekulidevahelised jõud
· Molekulide vahel mõjuvad nii tõuke- kui
tõmbejõud.
· Tõmbejõud on ülekaalus kui molekulidevaheline
kaugus on suurem kui molekuli diameeter
· Tõukejõud on ülekaalus kui molekulidevaheline
kaugus on väiksem molekuli läbimõõdust
Reaalsed gaasid
· Reaalne gaas käitub ideaalsena suurtel
hõrendustel(molekulidevaheline kaugus on
suurusjärgus kümme molekuli läbimõõtu)
· Väiksematel kaugustel tuleb arvestada nii
molekulide läbimõõtu kui
molekulidevahelist vastastikmõju
· Erinevalt ideaalsest gaasist, saame reaalse
gaasi puhul rääkida ülekandenähtustest.
Ülekandenähtused gaasides
· Difusioon. Ühe aine molekulide tungimine
teise aine molekulide vahele. Difusiooni
kiirus sõltub
­ Molekulide liikumise keskmisest teepikkusest
­ Temperatuurist
­ Molekulide kontsentratsioonist
­ Molekulide massist
Ülekandenähtused gaasides
· Soojusjuhtivus. Soojusülekanne molekulide
omavaheliste põrgete kaudu.
­ Toimub väga aeglaselt, sest gaasid on väga
halva soojusjuhtivusega.
­ Sellel põhineb poorsete materjalide kasutamine
soojusisolatsioonis.
Ülekandenähtused gaasides
· Sisehõõre. See on tingitud gaasimolekulide
kaasahaaramisest gaasis liikuva keha poolt. Osa
keha impulsist kandub üle gaasi molekulidele,
keha impulss väheneb. Takistusjõud sõltub
­ Keha kujust
­ Keha kiirusest
· Teadusharu, mis tegeleb kehade liikumisega
gaasides nimetatakse aerodünaamikaks
Vedelikud
· Tiheduselt lähemal tahkele kui gaasilisele olekule
· Vedeliku omaduseks on voolata, kuju on kergelt
muudetav.
· Vedelik on raskesti kokku surutav
· Molekulid saavad liikuda vaid molekulide
mõõtmetega võrreldavates piirides
· Molekulid paiknevad enamasti korrapäratult(v.a.
vedelkristallid)
· Vedelikele on omane pindpinevus
Pindpinevus
· Vedeliku omadus kokku tõmbuda ja omandada
võimalikult väikest pindala.
· Selle tulemusena üritab vedelik võtta kera kuju.
· Pindpinevusjõud F = l, kus l on pinna pikkus ja
pindpinevustegur, pindpinevusjõud on suunatud
piki vedeliku pinda
· Pindpinevusega on seotud märgamine ja
mittemärgamine.
Märgamine ja mittemärgamine
>90°
Täielik mittemärgamine Osaline mittemärgamine
Osaline märgamine Täielik märgamine
Ülekandenähtused vedelikes
· Difusioon. Difusioon vedelikes on aeglasem kui
gaasides.
· Soojusjuhtivus. Vedelikud on paremad
soojusjuhid kui gaasid.
· Sisehõõre on vedelikes tunduvalt suurem kui
gaasides.
Tahked kehad
· Tahkised. Tahked ained millel on korrapärane e.
kristallstruktuur. (süsinik,jää jne)
­ On mono- ja polükristallid.
­ Kristallid on anisotroopsed(omadused sõltuvad
suunast)
· Amorfsed ained. Tahked ained millel
kristallstruktuur puudub.(klaas, pigi, plastmassid)
­ Voolavad
­ Isotroopsed
Ülekandenähtused tahkistes
· Difusioon. Esineb ka tahkistes, kuid vähesel
määral.
· Soojusjuhtivus. Tahkised on head
soojusjuhid, eriti metallid. Sõltub suunast.
· Sisehõõrdumisest tahkiste puhul rääkida ei
saa.
· Amorfsed kehad aga on voolavad ja nende
puhul saame sisehõõrdest rääkida.
Tahked Vedelikud Gaasid
Molekulid paiknevad Molekulid paiknevad Molekulid paiknevad
korrapäraselt korrapäratult korrapäratult
Molekulidevahelised Molekulidevahelised Molekulidevahelised
kaugused on väikesed kaugused suuremad kui kaugused suured
tahkes olekus
Molekulidevahelised Molekulidevahelised Molekulidevahelised
tõmbe- ja tõukejõud on tõukejõud on suuremad tõuke- ja tõmbejõud
suured kui tõmbejõud väga väikesed
Molekulid saavad Molekulid liiguvad Molekulid liiguvad
võnkuda ümber korrapäratult kogu korrapäratult kogu
tasakaaluasendi vedeliku ulatuses ruumi ulatuses
Säilitavad kuju ja Säilitavad ruumala Ei säilita ei kuju ei
ruumala ruumala
Faasid
· Aine võib esineda kolmes olekus ­ tahkes, vedelas
ja gaasilises. Neid olekuid nimetatakse aine
agregaatolekuteks.
· Ühes ja samas agregaatolekus võivad aine
omadused olla erinevad.Erinevate omadustega
olekuid nimetatakse faasideks.
· Faase on rohkem kui agregaatolekuid.
· Üleminekut ühest faasist teise nimetatakse
faasisiirdeks.
Faasisiirded
GAAS KO
ND
E EN
IN
SE
M
ER
TU
N
AU U
A
O M
M
RU
O
IN
ÄR
SI
M E
AT
IN
H
E
M
I
BL
SULAMINE
SU
TAHKIS VEDELIK
TAHKESTUMINE
REKRISTALLISATSIOON
Faasisiirded
· Kõiki faasisiirdeid saab vaadelda paarikaupa vastupidiste
protsessidena
· Igale paarile vastab kindel siirdetemperatuur.
Siirdetemperatuur sõltub rõhust.
· Faasisiirdel kas eraldub või neeldub teatud hulk soojust. See on
siirdesoojus.
· Soojuslikult isoleeritud keskkonnas siiret ei toimu. Sellist
olukorda nimetame faaside tasakaaluks. Võimalik on nii kahe
kui kolme faasi tasakaal.
· Kahe faasi tasakaal on võimalik mingil temperatuuril, mis
sõltub rõhust. Kolme faasi tasakaal ainult kindlal rõhul ja
temperatuuril. See on kolmikpunkt.
Sulamine ja tahkestumine
Sulamine Q = mc(t2 ­ t1)
Q = m
Q = mc(t2 ­ t1)
Q ­ Sulamiseks vajalik soojus
sulamisoojus
Tahkestumine on sulamisele vastupidine protsess
Aurumine ja kondenseerumine
Keemine Q = rm
Q ­ aurustumiseks vajalik
soojus
r aurustumissoojus
Aurumine toimub üldjuhul vedeliku pinnalt.
Kondenseerumine on aurumisele vastupidine
protsess
Kriitiline temperatuur
· Iga aine jaoks on olemas mingi temperatuur, millest
kõrgemal väärtusel ei ole võimalik auru kokku surudes
enam vedelikuks muuta.
· Seda temperatuuri nimetatakse kriitiliseks temperatuuriks
· Kui TTkr. on tegemist
gaasiga
· Kui aurumine ja kondenseerumine on tasakaalus, on aur
küllastunud
· Erinevatele temperatuuridele vastab erinev küllastunud
auru rõhk.
Keemine
Keemine on aurumine kogu vedeliku ulatuses(ka vedeliku
seest.
Erinevate vedelike keemistemperatuur on erinev
Keemisel vedeliku temperatuur ei muutu
Keemistemperatuur sõltub rõhust. Et vesi keeks
toatemperatuuril, peaks rõhk olema 13 mmHg
Õhuniiskus
Suurust , mis väljendab veeauru massi ühes
kuupmeetris õhus, nimetatakse õhu absoluutseks
niiskuseks.
Veeauru osarõhu ja antud temperatuuril küllastunud
veeauru rõhu suhet väljendatuna protsentides
nimetatakse õhu suhteliseks e. relatiivseks niiskuseks
Q1 ­ Q2 Q = U ­ A
= * 100 %
Q1 A = p V
T1 T2
Q = mc(t2 ­ t1)
max = * 100 %
Q = m
T1
A = Q1 ­ Q2
n=
Vee erisoojus 4190 J/kg*K
Jää erisoojus 2100 J/kg*K
Jää sulamissoojus 330000 J/kg