1. Mi a termodinamikai rendszer? Miben különbözik egymástól a nyitott és a zárt termodinamikai

Átírás

1 3.1. Ellenőrző kérdések 1. Mi a termodinamikai rendszer? Miben különbözik egymástól a nyitott és a zárt termodinamikai rendszer? Az anyagi valóság egy, általunk kiválasztott szempont vagy szempontrendszer szerint elhatárolt része. Zárt rendszer: tömeg kölcsönhatás kivételével minden más energia jellegű kölcsönhatás megengedett deformálható, nem leárnyékolható, nem áteresztő, diatermikus fallal rendelkezhet. Nyitott rendszer: Megengedi a tömegkölcsönhatást is. (Termodinamikai egyenleteik is eltérnek) Magára hagyott rendszer: A környezettől minden kölcsönhatással szemben el van szigetelve. 2. Osztályozza a termodinamikai rendszert határoló falakat a tulajdonságai alapján! Merev fal: Minden mechanikai kölcsönhatást meggátol Deformálódó fal: Lehetővé tesz mechanikai kölcsönhatást. Leárnyékoló fal: Lehetetlenné teszi a külső (mágneses, elektromos ) erőterek befolyását. Nem áteresztő vagy félig áteresztő fal: Minden anyag vagy egyes anyagok áthatolását akadályozza meg. Diatermikus fal: Lehetővé teszi a termikus kölcsönhatást. Adiatermikus fal: Megakadályozza a hőhatás formályában keletkező (termikus) kölcsönhatást. 3. Miben különbözik egymástól az adiatermikus és az adiabatikus fal? Adiabatikus fal: Adiatermikus, nem áteresztő, és egyben leárnyékoló fal, csak a mechanikai kölcsönhatást engedi meg. 4. Miből állapítható meg, hogy egy magára hagyott termodinamikai rendszer egyensúlyban van e? A magára hagyott rendszerben egy idő után minden makroszkopikusan érzékelhető folyamat megszűnik, a rendszer nyugalomba kerül. Ez az egyensúly mindaddig fennmarad, amíg a rendszert valamilyen külső hatás nem éri. Termikus egyensúly: A hőmérséklet a rendszer minden pontjában azonos. Mechanikai egyensúly: A nyomás a rendszer minden pontjában azonos. Fázisegyensúly: A fázisok mennyisége és összetétele a rendszeren belül állandó. 5. A termodinamikai rendszer milyen tulajdonságait nevezzük állapotjelzőknek? Makroszkopikus tulajdonságok, a rendszer állapotának egyértelmű (egyértékű) függvényei, csak a rendszer pillanatnyi állapotától függenek és függetlenek a rendszer előző állapotától és az úttól, melyen keresztül a rendszer az adott állapotba jutott, valamint más állapotjelzők egyértelmű

2 függvényei. (Minden állapotjelző makroszkopikus tulajdonság, de nem minden makroszkopikus tulajdonság állapotjelző.) 6. Milyen tulajdonságokkal rendelkeznek az extenzív állapotjelzők? Soroljon fel néhány extenzív állapotjelzőt! Függ a termodinamikai rendszer kiterjedésétől. Tömeg (m), térfogat (V), belső energia (U), entrópia (S), entalpia (H). 7. Milyen tulajdonságokkal rendelkeznek az intenzív állapotjelzők? Soroljon fel néhány intenzív állapotjelzőt! Nem változnak meg a térfogat változtatásával. Nyomás (p), hőmérséklet (T), kémiai potenciál (φ). 8. Milyen tulajdonságokkal rendelkeznek a tömegre fajlagosított extenzív állapotjelzők? Soroljon fel néhány ilyen állapotjelzőt! Két extenzív állapotjelző hányadosaként képzett állapotjelző. Sűrűség (ρ), fajtérfogat. 9. Hogyan nevezzük az állapotjelzők közötti függvénykapcsolatot? Egyik állapotjelző változtatásával a másik is egyértelműen változik: extenzív állapotjelzők között homogén, elsőrendű függvénykapcsolat áll fenn (Euler tétele: n dx n+1 ), valamely intenzív állapotjelző meghatározható az extenzív állapotjelzők homogén nulladrendű függvényeként ( Euler: dy n i=1 = 0 ). dx i X i 10. Írja fel az ideális gáz termikus állapotegyenletét! p * V=m * R * T ahol: p: a gáz nyomása, V: a gáz térfogata, m: a gáz tömege, R: a speciális gázállandó( R u ), T: a gáz M abszolút hőmérséklete. 11. Milyen mennyiségeket nevezünk termodinamikai anyagjellemzőknek? Fázisjellemző mennyiségek: fajhő, köbös hőtágulási együttható, hővezetési tényező, dinamikai viszokzitás 12. Mit értünk a komponens fogalmán? Különböző kémiai tulajdonságokkal rendelkező egyedek, amik a termodinamikai rendszer összetételét meghatározzák. 13. Mit értünk a fázis fogalmán? Nem szükségszerűen összefüggő, ha egy telített oldattal egy kristályfázis érintkezik, az egész halmaz egyetlen fázisnak számít mindaddig, amíg egyféle kristály van jelen. Homogén fázis: a termodinamikai rendszerben nincsenek makroszkopikus elválasztó felületek, és amelyeken belül az intenzív i=1 dx i X i

3 állapotjelzők értéke minden pontban azonos. Inhomogén rendszer: csak egyetlen fázisból áll. Heterogén rendszer: a rendszer belsejében makroszkopikus határfelületek választanak el egymástól homogén részrendszereket, amelyek sajátosságai eltérőek egymástól. 14. Mikor tekinthető egy állapotváltozás kvázistatikusnak? Amikor a kezdőállapotból egyensúlyi állapotok sorozata vezet a végpontba. Gyakorlatban a végtelen lassan lejátszódó folyamatok jó közelítéssel kvázistatikusnak mondhatók. (pl. belsőégésű motorokban lejátszódó folyamat) 15. Mikor tekinthető egy állapotváltozás reverzibilisnek? (megfordítható) Az állapotváltozók megváltozásának iránya nincs korlátozva, tehát az állapotváltozás bármely irányba végbemehet. 16. Mit nevezünk izobár, izochor, izoterm, adiabatikus, ill. politropikus állapotváltozásnak? Izobár: a rendszer nyomását változatlannak tekintjük, izochor: a rendszer térfogatát változatlannak tekintjük, izoterm: a rendszer hőmérsékletét változatlannak tekintjük, adiabatikus: a rendszer minden állapotjelzője változhat, de ezek között meghatározott függvénykapcsolat van, a fal csak mechanikai kölcsönhatást enged meg, politropikus: minden állapotjelző változik, a rendszer és környezet között mind a mechanikai, mind a termikus kölcsönhatás megengedett, de a két kölcsönhatás között meghatározott függvénykapcsolat van. 17. Mi a munka, és mi a hő? Munka: A rendszer határfelületén fellépő energiatranszport-mennyiség, melyet a kölcsönhatáshoz tartozó és a hőmérséklettől különböző intenzív állapotjelzők inhomogenitása hoz létre. Az erőhatás és az erőhatás miatt bekövetkező elmozdulás szorzata: dw=-f * ds. Nem állapotjelző, de egy intenzív állapotjelző és egy extenzív mennyiség megváltozásának szorzata. Hő: A rendszer határfelületén fellépő, tömeg-kölcsönhatás nélküli energiatranszport-mennyiség, melyet a hőmérséklet-eloszlás inhomogenitása indukál. 18. Definiálja az entrópiát! Minden rendszernek van két olyan állapotfüggvénye: S és T (ahol T csak a ʋ empirikus hőmérséklet függvénye), melyek segítségével a rendszer bármilyen kicsiny kvázistatikus és reverzibilis állapotváltozása esetén a felvett hőmennyiség δq=tds alakban fejezhető ki. Az S állapotfüggvényt entrópiának, a T-t pedig abszolút termodinamikai hőmérsékletnek nevezzük. Az entrópia termikus kölcsönhatáshoz tartozó extenzív paraméter. 19. Definiálja az áttolási (eltolási) munkát!

4 20. Szemléltesse p v diagramon egy egyensúlyi állapotváltozás fizikai (térfogat-változási) munkáját! Hogyan számítható ez a nyomás és a térfogat közötti összefüggés ismeretében? Zárt rendszerben: V 2 V 1 pdv 21. Mit nevezünk hőkapacitásnak, ill. fajlagos hőkapacitásnak (fajhőnek)? Hőkapacitás: Az a hőmennyiség, amit a rendszer hőmérsékletének egységnyivel való növelésekor felvesz. δq dt Fajlagos hőkapacitás: A hőkapacitás tömegegységre fajlagosított értéke. δq=c x dt+l x dx 22. Mit mond ki a termodinamika nulladik főtétele? A magára hagyott (minden kölcsönhatással szemben tökéletesen szigetelt) termodinamikai rendszer akkor van egyensúlyban, ha benne semmilyen makroszkopikus változás nem észlelhető, ebben az esetben az intenzív állapotjelzők a rendszeren belül homogén eloszlásúak. Ha két vagy több egyensúlyban lévő termodinamikai rendszer egymással kölcsönhatásban van, vagyis nincsenek egymástól minden kölcsönhatással szemben elszigetelve, akkor a vizsgált rendszernek annyi olyan, minden rendszerben azonos értékű intenzív tulajdonsága van, mint ahány kölcsönhatással szemben a határoló falak átjárhatók. 23. Mit jelent az egyensúly szimmetriája? Az A rendszer egyensúlyban van a B rendszerrel, akkor a B rendszer is egyensúlyban van az A rendszerrel. 24. Mit jelent az egyensúly tranzitivitása? Ha az A rendszer egyensúlyban van a B rendszerrel, B pedig a C rendszerrel, akkor az A rendszer egyensúlyban van a C rendszerrel.

5 25. Mi a hőmérséklet? Empirikus intenzitásparaméter, a termikus kölcsönhatás intenzív állapotjelzője, az anyagi részecskék mozgási energiájából adódik. 26. Mérhető-e közvetlenül a hőmérséklet? Nem mérhető közvetlenül, mérésére alkalmas minden olyan anyagtulajdonság, amely egyértelmű függvénye a hőmérsékletnek: 27. Milyen fizikai tulajdonságok alkalmasak hőmérsékleti skála definiálására? V,p,L,R,U 28. Definiálja a KELVIN-skálát! A II.Főtétel és az ideális gázok tulajdonságai alapján vezethető be, mint az empirikus hőmérséklet függvénye. Célja, hogy legjobban megközelítse a termodinamikai hőmérsékletet. Alappont a H 2 O hármaspontjának hőmérséklete (+0,01 C), így az abszolút hőmérsékleti skála T=273,16 p, ahol p 0 a p 0 gáztöltet nyomása a víz hármaspontján. A skálát úgy választjuk meg, hogy T θ=100 C =373,15K legyen következésképpen a víz hármaspontjának hőmérséklete az abszolút termodinamikai skálán. T 0 C =273,16K. 0K az abszolút nulla fok, ahol a részecskék már nem végeznek hőmozgást. 29. Definiálja a CELSIUS-skálát! Egy hőmérsékleti skála a következő rögzített pontokkal: az a hőmérséklet, amelynél standard nyomáson a víz egyensúlyban van a jéggel (0 C), és az a hőmérséklet, ahol a gőz egyensúlyban van a vízzel (100 C). A két hőmérséklet között a skálát 100 egységre osztották. A Celsius skála léptéke megegyezik a Kelvin skáláéval.