Termodynamika

Termodynamika

Czym jest Termodynamika?

Termodynamika to dział z Fizyki zajmujący się badaniami wszystkich efektów energetycznych przemian fizycznych oraz chemicznych które zmieniają energię wewnętrzną układu. Termodynamika nie zajmuję się przemianami jądrowymi, energią elektryczną, przemianami cieplnymi, efektami energetycznymi reakcji chemicznych, przemianami z udziałem jonów, oraz przemianami fazowymi. Istnieją również zasady termodynamiki, lecz poświęcimy na nie inne slajdy.

Energia wewnętrzna i temperatura .

• Energia wewnętrzna to suma energii kinetycznej i energii potencjalnej ciała.
• Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek powstała przez drgania i ruch wszystkich cząsteczek .
• Energia wewnętrzna jest zależna od liczby cząsteczek (Im mniej cząsteczek z których ciało się składa, tym mniejsza temperatura wewnętrzna, Im więcej cząsteczek tym większa).

• Jednostka temperatury w układzie SI to nic innego niż Kelwin (K)
• Najniższą możliwą (teorytycznie) temperaturą jest 0 K , czyli -273,15 °C. Można ją również nazwać zerem bezwzględnym. Przy takiej temperaturze ustał by jakikolwiek ruch cząsteczek.

Ciekawostki

Da się również przeliczyć stopnie Celsjusza na Kelwiny. Jest to bardzo proste ponieważ wystarczy dodać liczbe 273 do stopni Celsjusza.(25°C+ 273=298 K. 25°C=298 K)

Temperatury we Wszechświecie i na Ziemi:Wybuch Supernowej- 10 000 000 000 °CPrawidłowa temperatura ciała człowieka- 36,6 °CNajwyższa temperatura powietrza zamotowana na ziemi- 57,8 °CTeorytycznie najniższa możliwa temperatura- (-273,15°C)

Wyróżniamy 3 skale temperatur: skalę Celsjusza (°C), skalę Kelvina (K) i skalę Fahrenheita (°F). Skala Kelvina została stworzona przez angielskiego fizyka i matematyka Williama Thomsona. Skala Celsjusza została stworzona przez szwedzkiego geodetę, fizyka i astronoma Andersa Celsjusza. 3 i ostatnia skala temperatury Fahrenheita została stworzona przez holenederskiego fizyka i inżyniera Daniela Gabriela Fahrenheita. Co ciekawe pochodził on z Gdańska.

Zmiany energii wewnętrznej w wyniku pracy i przepływu ciepła

• Energię wewnętrzną danego ciała da się zwiększyć, kiedy wykonuję się nad nim pracę
• Kiedy przekazujemy energię w postaci ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze możemy zaobserwować wzrost energii wewnętrznej
• Ciepło jest formą przekazywania energii wewnętzrnej bez wykonywania żadnej pracy. W Fizyce ciepło oznacza się dużą literą Q

Jak napisałem w pierwszej kropce energię wewnętrzną można zwiększyć poprzez wykonanie pracy. Da się również zwiększyć pracę w podobny sposób. Działa to tak, że zwiększa nam się praca, ale maleje energia wewnętrzna. Taki proces zachodzi czasem w gazach. Taki gaz musi znajdować się w naczyniu z jednym otworem, a ten otwór należy przykryć tłokiem. Potem należy podgrzać ten gaz. Wtedy wzrasta energia kinetyczna cząsteczek. Przez to cząsteczki zaczną się poruszać z większą prędkością i będą częściej uderzać o ścianki naczynia, oraz sam tłok. Wówczas wzrośnie ciśnienie w naczyniu. Jeśli ciśnienie na zewnątrz będzie mniejsze to tłok będzie wypychany z naczynia (czyli będzie wykonywana praca) , przez co zmniejszy się temperatura w środku(czyli zmniejszy się energia wewnętrzna).

Zasady Termodynamiki

Tak jak wspomniałem w 2 slajdzie istnieją zasady Termodynamiki. Chciałbym je tu wymienić i omówić.Istnieje 5 Zasad termodynamiki. Są to:I Zasada Termodynamiki- Jeżeli praca która została wykonana nad danym ciałem prowadzi w całości do przyrostu energii wewnętrznej, to cały przyrost energii wewnętrznej ciała jest równy sumie pracy wykonanej nad ciałem i pobranego ciepła. Treść I zasady termodynamiki da się zapisać wzorem: Δ= W+Q gdzie: W= praca wykonana nad ciałem Q=ilość ciepła pobranego przez ciało = zmiana energii wewnętrznej.II Zasada Termodynamiki- Nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem byłoby pobranie ciepła ze zbiornika o temperaturze niższej i przekazanie go do zbiornika o temperaturze wyższej. III Zasada Termodynamiki- Gdyby udało się schłodzić jakąś substancję do 0 K i gdyby ona utworzyła kryształ doskonały to jej entropia (Entropia to funkcja stanu,czyli wielkość która zależy tylko od początkowego i końcowego stanu układu) musiałaby przyjąć wartość 0. Jest to jednak technicznie, a także formalnie niewykonalneNie wymieniłem wszystkich zasad termodynamiki. Oprócz wymienionych jest jeszcze zerowa oraz czwarta. Kiedy szukałem informacji na ich temat wydawały mi się zbyt skomplikowane, oraz za trudne jak na szkołę podstawową. Przepraszam za to , lecz nie mogłem ich zrozumieć.

Sposoby przekazywania ciepła

• Przewodnictwo cieplne zachodzi przy bezpośrednim kontakcie ciał o różnych temperaturach
• Wyróżniamy 3 sposoby przepływu ciepła: promieniowanie, konwekcję, oraz przewodnictwo cieplne
• Konwekcja to przemieszczanie się ogrzanej cieczy albo gazu do góry, kiedy chłodniejsza ciecz zajmuję miejsce ogrzanej

• Promieniowanie to przekazywanie ciepła na odległość.

Ciepło właściwe

• Ciepło właściwe (c) określa, ile energii trzeba dostarczyć, żeby zwiększyć temperaturę 1 kg danej substancji o 1 K lub o 1°C.
• Ilość ciepła pobranego podczas ogrzewania można obliczyć:Q= c · m · ΔT gdzie: Q= ciepło pobrane przez ciało c= ciepło właściwe m= masa ΔT= przyrost temperatury
• Da się również obliczyć ilość ciepła właściwego: gdzie: ΔQ= ciepło pobrane przez ciało c= ciepło właściwe m= masa ciała ΔT= przyrost temperatury

• Przyrost temperatury wody jest wprost proporcjonalny do ilości pobranego przez nią ciepła
• Różne substancje potrzebują innych ilości ciepła aby zwiększyć swoja temperaturę. Jest to zależne od rodzaju substancji

Zmiany stanu skupienia ciał

• Wyróżniamy 3 stany skupienia: stan stały ( np. Lód) , stan gazowy (np. Para wodna) i stan ciekły(np. woda) .
• Istnieje coś takiego jak zmiany stanów skupienia. Noszą one nazwy:sublimacja (przejście z ciała stałego do gazu), resublimacja (przejście z gazu do ciała stałego) , skraplanie (przejście z gazu do cieczy, parowanie ( przejście z cieczy do gazu) , topnienie ( przejście z ciała stałego do cieczy) , krzepnięcie ( przejście z cieczy do ciała stałego)
• Gęstość subtancji zazwyczaj jest zależna od stanu skupienia. Czyli gęstość w stanie gazowym jest zazwyczaj mniejsza niż w stanie stałym i ciekłym.

Ciekawostka

Istnieje jeszcze 4 stan skupienia czyli plazma. Jest to zjonizowana materia. Ten stan skupienia przypomina gaz. Znaczna część cząsteczek jest naładowana elektrycznie. Istnieją też przemiany którymi da się zmienić stan skupienia z gazowego na plazmę. Aby zmienić gaz na plazmę trzeba przeprowadzić Jonizację. Aby zmienić Plazmę na Gaz trzeba wykonać Rekombinację.

Topnienie i Krzepnięcie

• Topnienie- przemiana polegająca na przejściu danej substancji ze stanu stałego do stanu ciekłego. Krzepnięcie- przemiana polegająca na przejściu ze stanu ciekłego do stanu stałego.
• Ciała w których atomy lub cząsteczki są regularnie uporządkowane nazywamy kryształami, a ciała w których atomy lub cząsteczki są ułożone chaotycznie nazywamy ciałami bezpostaciowymi.
• Kryształy topnieją w stałej temperaturze, zaś ciała bezpostaciowe nie mają dokładnie określonej temperatury topnienia.

• Kryształy mają taką samą temperaturę topnienia jak i krzepnięcia, a ciała bezpostaciowe nie mają dokładnie określonej temperatury topnienia i krzepnięcia.
• Ciepło topnienia da się obliczyć za pomocą wzoru: gdzie: Ct= Ciepło topnienia Q= ciepło potrzebne do stopnienia ciała m= masa ciała
• Da się też obliczyć pobrane ciepło za pomocą wzoru:Q= Qt * m Q= pobrane ciepło Qt=ciepło topnienia m= masa ciała

Parowanie i skraplanie

• Parowanie- przemiana polegająca na przejściu ze stanu ciekłego do stanu gazowego. Skraplanie- przemiana polegająca na przejściu ze stanu gazowego do stanu ciekłego. Zachodzi gdy gaz jest odpowiednio oziębiony.
• Parowanie może zajść w każdej temperaturze w której substancja jest w stanie ciekłym. Im temperatura jest wyższa tym szybciej zachodzi parowanie
• Wrzenie to gwałtowne parowanie cieczy, które odbywa sie na całej jej objętości.

• Szybkość parowania zależy od: rodzaju cieczy, temperatury, ruchu powietrza, wielkości powierzchni swobodnej, wilgotności powietrza.
• Temperatura wrzenia substancji jest zależna od ciśnienia . (Im wyższe ciśnienie tym wyższa temperatura)
• Ciepło parowania da się obliczyć za pomocą wzoru: Cp= ciepło parowania Q= ciepło potrzebne do odparowania cieczy m= masa cieczy

Przydatne filmy

Ciepło Właściwe:

Energia wewnętrzna i Temperatura:

Zmiany Stanu Skupienia ciał:

Zmiany Energii wewnętrznej w wyniku pracy i przepływu ciepła:

Topnięcie i Krzepnięcie oraz Parowanie i Skraplanie:

Sposoby przekazywania ciepła:

Zadania do przećwiczenia

W tym slajdzie chciałbym przedstawić zadania które można zrobić, aby utrwalić wiadomości z prezentacji. W sumie w całej prezentacji przedstawiłem 6 wzorów, a więc będzie 12 zadań (2 zadania do jednego wzoru).

Zasady Termodynamiki:Podpowiedź: wzór na I zasadę Termodynamiki to: = W+Q= zmiana energii wewnętrznej W= praca Q= ciepło pobrane przez ciało. Wynik zapisuję sie w dżulach (J)

Zad 2. Kowal w ciągu 20s uderza dwudziestokrotnie w sztabkę rozgrzanej stali, przy każdym uderzeniu młotka wykonuję pracę mechaniczną 60J. W ciągu 20s sztabka oddaje do otoczenia 1200J energii. Oblicz o ile się zmieniła energia wewnętrzna sztabki w ciągu 20s.

Ciepło właściwe:Podpowiedź: wzór na ilość ciepła właściwego to: c=ciepło właściweQ=ciepło pobrane przez ciałom= masa T=przyrost temperatury

Zad 1. Podczas prasowania żelazko podgrzało tkaninę energią 200 J, a w wyniku tarcia została do niego dodatkowo dostarczona energia 10 J. W rezultacie o ile wzrosła energia wewnętrzna tkaniny?

Czajnik zagotował pół litra wody dostarczając jej 100 000 J ciepła.Oblicz ciepło właściwe wody jeżeli temperatura początkowa wynosiła 20C. Temperatura wrzenia wody wynosi 100 C.

Topnięcie,Krzepnięcie i Parowanie,Skraplanie:Wzór na pobrane ciepło:Q=Qt*m Q= pobrane ciepłoQt/ Qp= ciepło topnienia/parowania m=masa ciałaIle ciepła należy dostarczyć aby stopić 3 kg lodu?(Qt=333 700 J/kgJaką ilość ciepła należy dostarczyć 2 kg wody w temperaturze wrzenia aby zamieniła się w parę wodną?(Qp=2257 kJ/kg)

To już jest koniec

Dziękuję za uwagę. Myślę że prezentacja się spodobała, bo włożyłem w nią dużo pracy. Daniel Ciołek VII D