Základy rovnovážné termodynamiky

Prezentace na téma: "Základy rovnovážné termodynamiky"— Transkript prezentace:

1 Základy rovnovážné termodynamiky
Jitka Prokšová KOF FPE

2 Roztažnost látek délková a objemová roztažnost pevných látek objemová roztažnost kapalin objemová roztažnost a rozpínavost plynů příklady

3 Celsiova stupnice Anders Celsius ( 1701–1744) základní body: bod mrazu bod varu vody (za normálního tlaku)

4 Kelvinova stupnice William Thomson ( 1824–1907), od r lord Kelvin základní body: absolutní nula trojný bod vody

5 Fahrenheitova stupnice
Daniel G. Fahrenheit ( 1686–1736), 3 základní body: *teplota tání směsi ledu a kuchyňské soli *teplota tání ledu *teplota zdravého lidského těla

6 Srovnání teplotních stupnic

7 Měření teploty Klementinum (od r. 1775) teplotní rekordy záznam teploty více než dvě století ve stejný čas

8 Teploměry

9 měrná tepelná kapacita molární tepelná kapacita příklady
Kalorimetrie tepelná kapacita měrná tepelná kapacita molární tepelná kapacita příklady

10 Systémy

11 uzavřený systém otevřený systém energie energie částice

12 Rovnovážný stav termodynamické soustavy
Soustava, která je od určitého okamžiku v neměnných vnějších podmínkách, přejde po jisté době samovolně do rovnovážného stavu. Setrvává v něm, dokud zůstanou tyto podmínky zachovány.

13 Stavová rovnice ideálního plynu
tlak a objem plynu látkové množství univerzální plynová konstanta termodynamická teplota

14 První termodynamický zákon
teplo vnitřní energie práce aplikace příklady (systémy)

15 Formulace prvního termodynamického zákona
zákon zachování energie Vnitřní energii soustavy lze zvýšit dodáním tepla Q nebo dodáním práce W (nebo obojím).

16 Aplikace prvního termodynamického zákona
děj: izochorický izobarický izotermický adiabatický

17 Formulace druhého termodynamického zákona
Rudolf Clausius (1822–1888), 1850: Je nemožné cyklickým procesem přenášet teplo z chladnějšího tělesa na teplejší, aniž se přitom změní jisté množství práce na teplo.

18 William Thomson ( 1824–1907), od r. 1892 lord Kelvin 1851:
Je nemožné cyklickým procesem odnímat jednomu tělesu teplo a měnit je v kladnou práci, aniž přitom přejde jisté množství tepla z tělesa teplejšího na chladnější.

19 Max Planck (1858–1947), 1930: Je nemožné sestrojit
periodicky pracující stroj, který by trvale vykonával kladnou mechanickou práci pouze ochlazováním jednoho tělesa, aniž přitom dochází k jiným změnám v ostatních tělesech.

20 Perpetuum mobile druhého druhu
dodané teplo systém vykonaná práce

21 Princip tepelného stroje
dodané teplo systém vykonaná práce odevzdané teplo

22 Účinnost tepelného stroje
Sadi Carnot (1796–1832) 1824: dokázal, že pro účinnost tepelného stroje platí:

23 Carnotův cyklus Cc

24 Druhy, princip činnosti
Tepelná čerpadla Druhy, princip činnosti

25 Od idealizace ke skutečným dějům
nevratnost - spojitost se zavedením nové veličiny entropie, souvislost entropie a míry neuspořádanosti soustavy, podle změny entropie v soustavě lze určit směr nevratného děje.

26 Entropie Rudolf Clausius: entrópos = vnitřní změna
makroskopické hledisko: k definici změny entropie využívá termodynamické teploty soustavy a tepla, které soustava během daného děje získá nebo ztratí.

27 Aplikace pojmu entropie
nerovnovážná termodynamika fyzika nízkých teplot chemie (katalytické reakce) biologie (disipativní struktury) kosmologie informatika ekonomie psychologie

28 Formulace druhého termodynamického zákona pomocí entropie:
Entropie izolované soustavy roste při ději nevratném a zůstává stálá při ději vratném. Entropie izolované soustavy nikdy neklesá. Platí tedy

29 Třetí termodynamický zákon
teploty v okolí 0K entropie tepelné koeficienty aplikace

30 Walther Nernst (1864–1941) 1906: Pro teplotu klesající k absolutní nule probíhá vratný izotermický děj bez změny entropie. Při absolutní nule splývá vratná izoterma s adiabatou.

31 Některé metody získávání velmi nízkých teplot
konec 19. století: využití Joulova - Thomsonova jevu ke zkapalňování plynů při teplotách pod 100 K

32 Heike Kamerlingh-Onnes (1853–1926)
zakladatel kryogenní laboratoře v Leidenu, zkapalnění He (1908) var kapalného He za sníženého tlaku (0,84 K) 1911: objev supravodivosti Hg (4,16 K) (NC 1913)

33 Základy kinetické teorie plynů

34 Model nový pohled na plyn - statistický přístup Avogadrova konstanta
obrovské soubory molekul střední hodnoty makroskopických veličin transportní jevy

35 Brownův pohyb Animace

36 Kinetická teorie plynu
Animace KTP

37 Termodynamická pravděpodobnost a míra neuspořádanosti
Ludwig Boltzmann (1844–1906) Boltzmannův princip (1877): Entropie soustavy je funkcí pravděpodobnosti stavu soustavy.

38 izolovaná nádoba mikrostav, makrostav entropie: míra neuspořádanosti nejpravděpodobnější makrostav: maximální počet mikrostavů

39 Pravděpodobnost makrostavu: Počet mikrostavů:

40 Pravděpodobnost makrostavu:

41

42

43 Transportní jevy střední volná dráha tepelná vodivost viskozita difúze

44 Ideální plyn versus reálný plyn
Van der Waalsova rovnice víceparametrové rovnice

45 Termodynamické zákony podle Murphyho
Ve “hře” nemůžete nikdy vyhrát. V nejlepším případě dosáhnete pouze nerozhodného výsledku. Nerozhodného výsledku můžete dosáhnout pouze při teplotě 0 K. Teploty 0 K nemůžete nikdy dosáhnout.