Termodünaamika alused ( kokkuvõte) (0)

Termodünaamika alused
Siseenergiaks nim. keha molekulide kineetilise ja potentsiaalse energia summat. Siseenergia levimist ühelt kehalt teisele nim. soojusülekandeks. Soojusülekandes levib siseenergia soojemalt kehalt või kehaosalt külmemale. Seejuures soojema keha siseenergia väheneb ja külmema keha siseenergia suureneb. Soojusülekanne kestab seni, kuni kehade temp. saavad võrdseks.
Soojusülekande liigutus :
¤Soojusjuhtivuseks nim. soojusülekannet, kus energia levib ühelt aineosakeselt teisele molekulidevaheliste põrgete tõttu, ilma et aine ümber paikneks.
¤Konvektsiooniks nim. soojusülekannet, kus energia levib gaasi-või vedeliku liikumise tõttu.
¤Soojuskiirguseks nim. soojusülekannet, kus energia levib elektromagnetlainete kiirgamise ja neelamise tõttu.
Kui kontaktis olevate kehade makroparameetrid ei muutu, nim. kehi soojuslikus ehk termodünaamilises tasakaalus olevaiks.
Soojusülekandel üleantavat energiahulka iseloomustab soojushulk Q= c m ∆t (c-aine erisoojus , m-keha mass, ∆t- temp.muut).
Aine erisoojus on füüsikaline suurus, mis näitab, kui suur soojushulk tõstab ühikulise massiga keha temp. ühe kraadi võrra .(ühik: 1J/kg◦’C).
Termodünaamikas vaadeldakse protsesse suletud ehk soojuslikult isoleeritud süsteemis st. et süsteemis on soojusvahetus ainult omavahel, mitte aga vaäljaspool kogumit asuvate kehadega.
Termodünaamika Ι printsiip: süsteemile juurdeantav soojushulk kulub süsteemi siseenergia suurendamiseks ja mehaaniliseks tööks, mida tehakse välisjõudude vastu Q=∆U+A (Q-juurdeantav soojushulk, ∆U-siseenergia muut. A- välisjõudude vastu tehtud töö). Kui Q on neg., siis süsteem annab ära vastava soojushulga ja kui A on neg, siis teevad väisjõud süsteemiga tööd.
Soojusmasinaks nim. siseenergiat mehaaniliseks energiaks muutvat seadet , milles iseloomustab energia muutumist mehaaniline töö. Soojusmasin koosneb soojendist(süsteemile siseenergiat andev keha), jahutist(süsteemilt siseenergiat saav keha) ja töökehast(siseenergiat mehaaniliseks energiaks muutev keha).
Soojusmasina kasuteguri ŋ näitab, kui suure osa juurdeantavast soojusenergiast Q1 muundab masin kasulikuks töök Akas. Kasulikuks tööks muundub süsteemile juurdeantava ja jahutile äraantava soojushulga Q2 vahe: Akas= Q1-Q2. Kasuteguri valem: ŋ= Q1 - Q2 / Q1◦ 100%
Ideaalne soojusmasin on selline, mis tagab isoleeritud süsteemis parima soojuse ärakasutamise, s.t. suurima kasuteguri. Sellise masina töötsükkel koosneb kahest isotermilisest ja kahest adiabaatilisest protsessist ja seda nim. Carnot ´ tsükliks.
Ideaalse soojusmasina kasutegur: ŋ= T1- T2 / T1 ◦ 100% (T1- soojenti temp., T2- jahuti temp.)
Termodünaamika protsessid:
¤Pööratavaks protsessiks nim. niisugust protsessi, mis saab kulgeda nii, et süsteem läbib kõik olekud mis pärisuunaski, ainult vastupidises järjekorras ja jõuab algolekusse tagasi.
¤Mittepööratava protsessi korral pole olekute vastupidises järjekorras läbimine võimalik. Kõik reaalsed protsessid on mittepööratavad, sest need esinevad avatud süsteemides, kus esineb soojusülekanne süsteemi ja sinna mitte kuuluvate kehade vahel.
Termodünaamika II printsiip: soojusülekanne ei saa iseenesest toimuda külmemalt kehalt soojemale kehale. Näiteks kui vaadelda süsteemi olekuid , siis võib termodünaamika II printsiipi sõnastada: suletud süsteem püüab üle minna korrastatud olekust korrastamata olekusse.
Süsteemi korrastatust iseloomustatakse entroopia abil. Mida korrastatum on süsteem, seda väiksem on entroopia ja vastupidi. Tavaliselt kasutatakse entroopia S asemel ∆S, mis leitakse valemist: ∆S= ∆Q / T (∆Q-ülekantav soojushulk, T- süsteemi temp.)
Entroopia mõistet kasutades on termodünaamika II printsiip: entroopia kasvab suletud süsteemis toimuvate soojuslike protsesside käigus.( ∆S≥0).
Aine ehituse alused
Gaasid
Reaalsed gaasid, millega igapäevaelus kokku puutume, erinevad ideaalsest gaasist selle poolet, et nende molekule ei käsitleta punktmassidena ja arvastatakse molekulide vahel mõjuvat tõmbejõudu. Reaalse gaasi käitumist kirjeldab reaalse gaasi võrrand nn. van der Waalsi võrrand: (p+ m2/M2 ◦ a / V2)(V- m/M ◦b)= m / M ◦RT (p- gaasi rõhk, m- mass, M- molaarmass , V- ruumala, T- temp, R- universaalne gaasikonstant , a ja b- katseliselt määratavad konstandid, mis olenevad gaasist. a- iseloomustab molekulidevahelisi tõmbejõude ja b- molekulide ruumala.
Ülekandenähtused:
¤ Difusioon seisneb ühe aine molekulide tungimises teise aine molekulide vahele. Difusioon esineb siis, kui gaasimolekulide kontsentratsioon ruumi eri piirkondades on erinev. Edasikandunud gaasi massi saab leida seosest m= D◦ (n1- n2 /l) ◦ St (m- gaasi mass, t-aeg, S-pinna suurus, l- gaasimolekulide alg- ja lõppasendite vaheline kaugus, n1ja n2 on vastavalt molekulide konsentratsioon alg- ja lõppasukohas, D-difusioonitegur, milles väärtus on erinevatel gaasidel erinev.)
¤ Soojusjuhtivus seisneb soojusenergia levikus kõrgema temperatuuriga süsteemi osast madalama temperatuuriga ossa . Soojusjuhtivus esineb siis, kui ruumi eri osades on gaasil erinev temperatuur. Edasikandunud soojushulga saab leida seosest Q= ĸ ◦ (T1- T2 / l )◦St (Q- soojushulk, t-aeg, S-pinna suurus, l-gaasikihi paksus, T1 ja T2 on temperatuurid gaaskihi erinevates osades, ĸ- soojusjuhtivustegur , mille väärtus on erinevatel gaasidel erinev.)
¤Sisehõõre seisneb molekulide impulsside ülekandumises, mille tulemusena aeglasemad gaasikihid pidurdavad kiiremate liikumist ja vastupidi. Sisehõõre esineb siis, kui gaas voolab kihiti ja nende liikumiskiirused muutuvad kihist kihti. Sisehõõrdejõudu saab leida: FS= ŋ ◦ (v1- v2 / l) ◦S (FS-jõud, l- kahe gaasikihi vaheline kaugus, S-gaasikihi suurus, v1 ja v2- kihtide liikumiskiirused, ŋ- sisehõõrdetegur, mille väärtus on erinevatel gaasidel erinev.)
Vedelikud
Pindpinevus on nähtus, kus vedeliku pinnamolekulid mõjustavad üksteist tõmbejõududega, mis on suunatud piki pinda ja püüavad pinna suurust vähendada. Seda põhjustab molekulide erinev kontsentratsioon vedelikus ja selle kohal olevas gaasis, mis mõttu vedeliku pinnakihis ja sisemuses olevale molekulile mõjuvad erinevad resultantjõud. Pindpinevusjõuks nim. jõudu, mida kokkutõmbuv vedelikupind avaldab temaga piirnevatele kehadele. See jõud mõjub alati vedeliku pinna tasandis. Fp=α l (α- pindpinevustegur , mis on arvuliselt võrdne jõuga, millega vedeliku pinna üks osa tõmbab teist, esimesest 1m pikkuse piirjoonega eraldatud osa. Ühik: 1N/m=1J/m2. Pindpinevustegur sõltub vedeliku temperatuurist: mida kõrgem on temp., seda väiksem on pindpinevus. Samuti sõltub pindpinevus ja vedelikus olevatest lisanditest, nt. pesuvahendid ja piirutus vähendavad pindpinevust, selliseid aineid nim. pindaktiivseteks aineteks.
Kui vedelik satub kokkupuutesse taheke keha pinnaga, tuleb arvestada tõmbejõude vedeliku pinna ja tahke aine molekulide vahel. Kui vedeliku molekulide omavaheline tõmbejõud on väiksem kui vedeliku ja tahke aine molekulide vahel, siis valgub vedelik pinnal laiali ja öeldakse, et tegemist on märgamisega. Kui vedeliku molekulide omavahelised tõmbejõud on suuremad, sis on tegemist mittemärgamisega.
Joonised:
1)täielik mittemärgamine:
2)osaline mittemärgamine:
3)osaline märgamine:
4)täielik märgamine:
Kui vedelikku asetada sellisest materjalist peenike toru( kapillaar ), mida vedelik märgab, siis tõuseb vedelik torus kõrgemale vedeliku pinnast anumas, seda nim. kapillaarsuseks . Vedeliku kapillaari tungimise ulatus on seda suurem, mida peenem on kapillaar. Vedelikutaseme kõrgust saab arvutada: h= 2α / ρ g r (α- vedeliku pindpinevustegur, ρ-tihedus, g- raskuskiirendus, r- kapillaari raadius.)
Tahked ained
Tahkises paiknevad molekulid kindla korra järgi. Kui see süsteem säilib üle terve ainekoguse, on tegemist monokristalliga. Kui aine koosneb paljudest liitunud monokristallidest, on tegemist polükristalliga.
Tahkiste tüübid:
Tahkise tüüp
Vastastikmõju põhjus
Ioonkristall(NaCl, MgO, LiF jne.)
Erinimeliste naaberioonide tõmbumine
Aatomkristall( teemant , Ge, Si jne.)
Naaberaamtonite ühised elektroniparis
Molekulkristall(jää, O2, CO2 jne.)
Polaarsete naaberaatomite tõmbumine
Metall (Cu, Al, Zn jne.)
Positiivsete ioonide vaheline elektrongaas
Tahkises, kus oskased paiknevad kindal korra järgi, sõltuvad mitmed aine omadused suunast . Näiteks tahkise tugevus oleneb selelst, millises suunas teda kokku suruda. Samuti on tahkise soojusjuhtivus erinevates suunades erinev, sellist aine omaduste sõltuvust mõjumissuunast nim. anisotroopiaks.
Faasisiirded
Faas on ühesuguse keemilise koosseisu ja füüsikaliste omadustega aine olek. Protsessi, kus aine läheb ühest faasist teise nim. faasisiirdeks, mille tunnuseks on aine omaduste oluline muutus. Soojushulka, mis neeldub või eraldub aine massiühiku kohta, nim. siirdesoojuseks.
Kui aine läheb tahlest agregaatolekust vedalasse- sulamine .
Kui aine läheb vedelast olekust tahkesse- tahkestumine e. kristalliseerumine .
Kui aine läheb vedelast olekust gaasilisse- aurustumine .
Kui aine läheb gaasilisest olekus vedelasse- kondenseerumine e. vedeldumine.
Kui aine läheb tahkest olekust gaasilisse- sublimeerumine.
Kui aine läheb gaasilisest olekust tahkesse- härmatumine.
Sulamine ja tahkestumine
Tahkised sulavad kindlal temperatuuril- sulamistemperatuuril . Aine sulamiseks tuleb sellele pidevalt soojust juurde anda. Siirdesoojuse ehk sulamiseks vajaliku soojushulga valem: Qs= λ◦ m (m- keha mass, λ- sulamissoojus , mis näitab soojushulka, mida on vaja, et muuta 1 kg tahkist vedelikuks sulamistemperatuuril.) Sulamisel kristallvõre laguneb, aine osaksed eemalduvad üksteisest ja nendevaheline keskmine kaugus suureneb. See tähendab osaksetevahelise potentsiaalse energia suurenemist , mis tähendab omakorda keha siseenergia suurenemist. Siseenergia suurendamiseks tuleb kehalt üle anda vajalik soojushulk.
Tahhumine on sulamise pöördprotsess, mille käigus vedelik muutud tahkiseks. Ka see toimub kindlal temp. – tahkestumistemperatuuril, mis on võrdne selle aine sulamistemperatuuriga. Tahkumisel aine annab pidevalt soojust ära, kusjuures ühesuguse ainehulga korral on eralduv soojushulk Qt võrdne sulamisel neelduva soojushulgaga:
Qt= -λ◦ m. Tahkumisel tekib kristallvõre, aine osakesed lähenevad üksteisele ja nendevaheline keskimine kaugus väheneb. Seega väheneb osakestevaheliste tõmbejõudude potentsiaalne energia ja ka keha siseenergia ja jääva soojushulga annab keah ära.
Aurustumine ja kondenseerumine
Aurustumine toimub igasugusel temperatuuril, kui ainele antakse juurde mingi soojushulk. Soojushulga valem: Qa= r ◦ m (r- aurustumissoojus, mis on võrdne soojushulgaga, mida on tarvis, et muuta 1 kg vedelikku auruks antud temperatuuril, m-keha mass.)
Kondenseerumine on aurustumise pöördprotsess, see toimub igasugusel temeperatuuril. Kondenseerumie käigus vabaneb soojushulk, mis on võrdne aurustumiseks vajaliku soojushulgaga. Kondenseerumisel eralduv soojushulk Qk on arvuliselt võrdne aurumisel juurdeantava soojushulgaga: Qk= -Qa.
Õhus leiduvat gaasilist ainet nim. selle aine auruks, kui aine on antud temperatuuril vedelas olekus. Vedeliku vaba pinna korral toimuvad korraga mõlemad protsessid, nii aurustumine kui kondenseerumine. Kui õhus on vähe aurustuva aine molekule, siis on ülekaalus aurustumine. Kui aurustuva aine molekule on õhus väga palju, sssb ülekaalu kondenseerumine. Küllastunud auruks nim. auru, kus ajaühikus vedeliku pinnaühikult lahkunud molekulide arv on võrdne ajaühikus pinnaühikule langenud molekulide arvuga. Küllastunud auru rõhuks nim. maksimaalset võimalikku aurustuva aine rõhku, mis vastab küllastunud aurule.
Keemine
Keemine on aurumise erijuht , mille korral saab vedeliku küllastunud auru rõhk võrdseks välisõhu rõhuga. Sel juhul tekivad vedelikus aurumullid, mis on täidetud küllastunud auruga. Keemisele vastba kindel temp. –keemistemperatuur. Vedeliku keemisel ei muutu temperatuur. Keemiseks nim. vedeliku aurustumist keemistempertauuril.
Õhuniiskus
Absoluutne niiksus ρ näitab veeauru massi õhu ruumalaühikus(1g/m3). Relatiivne ehk suhteline niiskus: Srel= (pt –ptk) ◦100% (pt-õhus oleva veeauru rõhk, ptk-küllastunud veearuru rõhk.) Relatiivset niiskust saab väljandada ka absoluutse niiskuse kaudu: Srel= (pt –ptk) ◦100% (pt- absoluutne niiskus antud temperatuuril, ptk-küllastunud veearurule vastav vastav absoluutne niiskus samal temperatuuril.)
Õhuniiskuse määramiseks kasutatakse asjaolu, et vedeliku aurumisel lahkuvad vedelikust eelkõige kiiremini liikuvad molekulid. Selle tulemusel vedeliku molekulide keskmine kiirus väheneb ja temperatuur langeb. Õhuniiskuse määramiseks kasutatakse märja ja kuiva termomeetri näitusid. Märjaks termomeetriks nim. termomeetrit, mille balloon on mähitud niiske materjali , nt vati sisse. Vee aurumisel vatist võetakse vajalikku energiat termomeetrilt ja seetõttu näitab vähem kui kuiv termomeeter, kus puudub niiske vattümbris. Mida suurem on õhuniiskus, seda vähem erinevad märja ja kuiva termomeetri näidud.