KISÉRLETI FIZIKA III HŐTAN

Az előadások a következő témára: "KISÉRLETI FIZIKA III HŐTAN"— Előadás másolata:

1 KISÉRLETI FIZIKA III HŐTAN
BALÁZS ZOLTÁN BMF, KVK, MTI 2008.

2 KISÉRLETI FIZIKA Termodinamika (klasszikus hőtan) A termodinamika fizikának az a tudo- mányága, amelyik azokat a jelensé- geket írja le, amelyekben a hőener- giának és a hőmérsékletnek meghatá- rozó szerepe van

3 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA A hőtan legfontosabb mennyiségei: - hőmérséklet: az SI mértékegység rendszerben alapmennyiség, hatására a testek térfogat változást mutatnak. Jele: T mértékegysége: K (Kelvin) definíciója: gázhőmérő által meghatározott A hőmérséklet állapot változó.

4 A nyomás állapotváltozó.
Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA A hőtan legfontosabb mennyiségei: - nyomás: a nyomóerő és a nyomott felület hányadosa. Jele: p mértékegysége: N/m2 (pascal) definíciója: p=F/A, ahol A a nyo mott felület A nyomás állapotváltozó.

5 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA A hőtan legfontosabb mennyiségei: - térfogat: Jele: V mértékegysége: m A térfogat állapotváltozó. Az állapotváltozók (hőmérséklet, nyomás, térfogat) egyértelműen meghatározzák a termodinamikai rendszer állapotát.

6 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA A hőtan legfontosabb mennyiségei: - hőenergia: másként hő, vagy hő- mennyiség, a testek hőmérséklet vál- tozásához szükséges energia. Jele: Q mértékegysége: J (joule) definíciója: a testek hőmérséklet változásához szükséges energia. Q=CnΔT=cmΔT ahol C [J/molK] a molhő, c [J/kgK] a fajhő. A hőenergia nem állapotváltozó.

7 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Szilárd testek termodinamikája. Lineáris hőtágulás. Térfogat és alaktartó rendszer. l=l0(1+αΔT) ΔT=T-T0 ahol, l a test hossza a T hőmérsékleten l0 a test hossza a T0 hőmérsékleten T0 a referencia hőmérséklet T a vizsgálati hőmérséklet α a lineáris hőmérsékleti együttható

8 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Szilárd testek termodinamikája. Térfogati hőtágulás V=V0(1+βΔT) ΔT=T-T0 ahol, V a test térfogata a T hőmérsékleten V0 a test térfogata a T0 hőmérsékleten T0 a referencia hőmérséklet T a vizsgálati hőmérséklet β a térfogati hőmérsékleti együttható, β=3 α

9 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Folyadékok termodinamikája. Térfogati hőtágulás. Térfogattartó rendszer. V=V0(1+βΔT) ΔT=T-T0 ahol, V a test térfogata a T hőmérsékleten V0 a test térfogata a T0 hőmérsékleten T0 a referencia hőmérséklet T a vizsgálati hőmérséklet β a térfogati hőmérsékleti együttható, β=3 α

10 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Gázok termodinamikája. A három állapotváltozó mindegyike változhat, a vizsgálat során nagyon gyakran az egyiket állandó értéken tartjuk, így egyszerűbb a vizsgálat és a valóságot is ez gyakran leírja. - p=állandó, nyomástartó, vagy izobár rendszer V=V0(1+βΔT) β=1/273 [1/K] Gay-Lussac I. törvénye.

11 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Gázok termodinamikája V=állandó, térfogattartó, vagy izochor rendszer V=V0(1+βΔT) β=1/273 [1/K] Gay-Lussac II. törvénye.

12 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Gázok termodinamikája T=állandó, hőmérséklettartó, vagy izoterm rendszer pV=p0V0=állandó Boyle-Mariotte törvény

13 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Gázok termodinamikája. Az egyesített gáztörvény. A fenti három egyenlet figyelembevételével, ha mindhárom változó változik, akkor a rendszer az egyesített gáztörvény szerint vizsgálható: pV/T=p0V0/T0=állandó ahol a p0,V0, T0 a normál állapotú gáz jellemzői: p0=1,01 105Pa; T0=273,15K; V0, a normál állapotú gáz térfogata.

14 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Termodinamika Gázok termodinamikája. Az egyesített gáztörvény. A fenti egyenletet kis átalakításokkal további egyenletekként is megadhatjuk: pV/T=nR=állandó ahol, R az univerzális gázállandó, amely minden gáz esetén azonos: R=8,314J/molK, n a rendszerben található gáz anyagmennyi- sége.

15 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Anyagmennyiség: az SI rendszerben alapmennyiség: jele: n mértékegysége: mol definiciója: egy molnyi az, az anyag- mennyiség, amelyben ugyanannyi részecske van, mint 12g C12 –es szénizo- tópban, azaz NA=6, db/mol.

16 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Gázok termodinamikája. Az egyesített gáztörvény. A fenti egyenletet kis átalakításokkal további egyenletekként is megadhat- juk: pV/T=(m/M)R=állandó ahol, M az egy molnyi anyag tömege, a moltömeg, n a rendszerben található gáz anyagmennyisége.

17 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Gázok termodinamikája. Az egyesített gáztörvény. A fenti egyenletet kis átalakításokkal további egyenletekként is megadhatjuk: pV/T=Nk=állandó ahol, N a rendszerben található anyag részecskéinek száma k a Boltzmann állandó: k=1, J/K

18 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Gázok állapotváltozásai: -izobár állapotváltozás, p=állandó p1V1/T1=p2V2/T2 ahol p1=p2=p ezért V1/T1=V2/T2 Hőenergia hozzávezetése esetén nő a térfogat és a hőmérséklet, a gáz kitágul. Q=CpnΔT Cp az állandó nyomáshoz tartozó molhő Cp =((f+2)/2)R

19 Gázok állapotváltozásai:
Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Gázok állapotváltozásai:

20 Gázok állapotváltozásai: p=állandó V/T=áll
Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Gázok állapotváltozásai: p=állandó V/T=áll

21 Gázok állapotváltozásai: -izobár állapotváltozás, p=állandó
Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Gázok állapotváltozásai: -izobár állapotváltozás, p=állandó

22 KISÉRLETI FIZIKA Termodinamika Gázok állapotváltozásai: -izochor állapotváltozás, V=állandó p1V1/T1=p2V2/T2 ahol V1=V2=V ezért p1/T1=p2/T2 Hőenergia hozzávezetése esetén nő a nyomás és a hőmérséklet. A gáz térfogati munkát nem végez, Wt =0J. Q=CVnΔT CV az állandó nyomáshoz tartozó molhő CV =(f/2)R

23 KISÉRLETI FIZIKA Termodinamika Gázok állapotváltozásai: -izochor állapotváltozás, V=állandó p/T=állandó

24 Gázok állapotváltozásai: -izochor állapotváltozás, V=állandó
Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Gázok állapotváltozásai: -izochor állapotváltozás, V=állandó

25 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Gázok állapotváltozásai: -izoterm állapotváltozás, T=állandó p1V1/T1=p2V2/T2 ahol T1=T2=T ezért p1V1=p2V2=állandó Hőenergia hozzávezetése esetén nő a térfogat és a nyomás csökken, a gáz térfogati munkát végez Wt Q=nRTln(V2/V1) =Wt

26 -izoterm állapotváltozás, T=állandó
Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA -izoterm állapotváltozás, T=állandó

27 -izoterm állapotváltozás, T=állandó
Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA -izoterm állapotváltozás, T=állandó

28 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA -adiabatikus állapotváltozás, Q=0J p1V1 κ =p2V2κ=állandó, ahol κ=Cp/CV A gáz a belsőenergiáját felhasználva növeli a térfogatát, a nyomása csökken, eközben a gáz térfogati munkát végez Wt CVnΔT =Wt

29 -adiabatikus állapotváltozás, Q=0J pVκ=állandó
KISÉRLETI FIZIKA Termodinamika -adiabatikus állapotváltozás, Q=0J pVκ=állandó

30 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Körfolyamatok: A körfolyamat az állapotváltozások olyan sorozata, amelynek a végén a termodinamikai rendszer visszatér a kiindulási állapotába, így a folyamat végén a belső energia ugyanakkora mint a kezdeti volt.

31 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Körfolyamatok: többféle körfolyamat létezik, amelynek egyik fajtája az ábrán látható, részfolyamatai: AB-izobár; BC-izochor; CD-izobár; DA-izochor.

32 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA A körfolyamat során hasznos munkát úgy írhatjuk fel, hogy az egyes részfolyamatok során végzett munkákat összegezzük: WAB=p1(V2-V1) WBC=0J WCD=p2(V1-V2) WDA=0J

33 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA A körfolyamat során hasznos munkát úgy írhatjuk fel, hogy az egyes részfolyamatok során végzett munkákat összegezzük: Wh=WAB+WBC+WCD+WDA Wh=p1(V2-V1) +p2(V1-V2) Wh=(p1 -p2 )(V2-V1)

34 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Termodinamika

35 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Termodinamika

36 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Termodinamika

37 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Termodinamika

38 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Termodinamika

39 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Gázkeveredés:

40 Termodinamika KISÉRLETI FIZIKA Termodinamika