Fizika. Fizika. Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK március 20.

Hasonló dokumentumok
Fizika. Fizika. Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK március 27.

Termodinamika (Hőtan)

Termodinamika. Belső energia

Fizika. Fizika. Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK március 6.

Termodinamikai bevezető

Hőtan I. főtétele tesztek

Munka- és energiatermelés. Bányai István

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

Belső energia, hőmennyiség, munka Hőtan főtételei

Fizika feladatok. 1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből november 28. Hővezetés, hőterjedés sugárzással. Ideális gázok állapotegyenlete

1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből

A TERMODINAMIKA I. AXIÓMÁJA. Egyszerű rendszerek egyensúlya. Első észrevétel: egyszerű rendszerekről beszélünk.

Műszaki termodinamika I. 2. előadás 0. főtétel, 1. főtétel, termodinamikai potenciálok, folyamatok

Kérdések Fizika112. Mozgás leírása gyorsuló koordinátarendszerben, folyadékok mechanikája, hullámok, termodinamika, elektrosztatika

Műszaki hőtan I. ellenőrző kérdések

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

Az energia bevezetése az iskolába. Készítette: Rimai Anasztázia

Termodinamika. 1. rész

MŰSZAKI HŐTAN I. 1. ZÁRTHELYI. Termodinamika. Név: Azonosító: Helyszám: Munkaidő: 80 perc I. 50 II. 50 ÖSSZ.: 100. Javította: Képzési kódja:

Fizika feladatok. 1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből december 8. Hővezetés, hőterjedés sugárzással

4. Jellegzetes állapotváltozások; leírásuk: p-v, T-S, H-S diagramokban

1 Műszaki hőtan Termodinamika. Ellenőrző kérdések-02 1

Digitális tananyag a fizika tanításához

MŰSZAKI TERMODINAMIKA 1. ÖSSZEGZŐ TANULMÁNYI TELJESÍTMÉNYÉRTÉKELÉS

Hőtan főtételei. (vázlat)

Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly

Feladatlap X. osztály

Energia. Energia: munkavégző, vagy hőközlő képesség. Kinetikus energia: a mozgási energia

1. feladat Alkalmazzuk a mólhő meghatározását egy gázra. Izoterm és adiabatikus átalakulásokra a következőt kapjuk:

Klasszikus zika Termodinamika III.

rendszer: a világ általunk vizsgált, valamilyen fallal (részben) elhatárolt része környezet: a világ rendszert körülvevő része

Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly

Követelmények: f - részvétel az előadások 67 %-án - 3 db érvényes ZH (min. 50%) - 4 elfogadott laborjegyzőkönyv

Légköri termodinamika

8. Belső energia, entalpia és entrópia ideális és nem ideális gázoknál

f = n - F ELTE II. Fizikus 2005/2006 I. félév

Egy részecske mozgási energiája: v 2 3 = k T, ahol T a gáz hőmérséklete Kelvinben 2 2 (k = 1, J/K Boltzmann-állandó) Tehát a gáz hőmérséklete

Carnot körfolyamat ideális gázzal:

Kvantum termodinamika

MŰSZAKI HŐTAN I. 1. ZÁRTHELYI

Előzmény: TD módszer, hőmérséklet, I. főtétel / ideális gáz, speciális állapotvált

Energia. Energiamegmaradás törvénye: Energia: munkavégző, vagy hőközlő képesség. Az energia nem keletkezik, nem is szűnik meg, csak átalakul.

Termodinamika. Tóth Mónika

A termodinamika törvényei

ATMH A: / A: / A: / B: / B: / B: / HŐTAN ÍRÁSBELI RÉSZVIZSGA Munkaidő: 150 perc. Dátum: Tisztelt Vizsgázó! Pontszám: SZ: J.V.: i.j.v.

Kompresszorok energetikai és üzemviteli kérdései Czékmány György, Optimus Plus Kft.

Az előadás vázlata: Állapotjelzők: Állapotjelzők: Állapotjelzők: Állapotjelzők: nagy közepes kicsi. Hőmérséklet, T tapasztalat (hideg, meleg).

Az energia. Energia : munkavégző képesség (vagy hőközlő képesség)

MMK Auditori vizsga felkészítő előadás Hő és Áramlástan 2.

Termodinamika. Gázok hőtágulása, gáztörvények. Az anyag gázállapota. Avogadro törvény Hőmérséklet. Tóth Mónika.

1. előadás. Gáztörvények. Fizika Biofizika I. 2015/2016. Kapcsolódó irodalom:

2. Energodinamika értelmezése, főtételei, leírási módok

Előszó.. Bevezetés. 1. A fizikai megismerés alapjai Tér is idő. Hosszúság- és időmérés.

A gáz halmazállapot. A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011

A szuperkritikus metán hőtani anomáliáinak vizsgálata. Katona Adrienn Energetikai mérnök BSc hallgató

ELTE II. Fizikus, 2005/2006 I. félév KISÉRLETI FIZIKA Hıtan 9. (XI. 23)

A munkavégzés a rendszer és a környezete közötti energiacserének a D hőátadástól eltérő valamennyi más formája.

A termodinamikai rendszer energiája. E = E pot + E kin + U E pot =m g h E kin =½m v². U = U 0 + U trans + U rot + U vibr + U khat + U gerj

Orvosi Fizika 11. Transzportfolyamatok termodinamikai vonatkozásai. Dr. Nagy László

Spontaneitás, entrópia

A természetes folyamatok iránya (a folyamatok spontaneitása)

Művelettan 3 fejezete

Csillapított rezgés. a fékező erő miatt a mozgás energiája (mechanikai energia) disszipálódik. kváziperiódikus mozgás

Termokémia. Termokémia Dia 1 /55

Műszaki hőtantermodinamika. Műszaki menedzsereknek. BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék

Termokémia, termodinamika

Spontaneitás, entrópia

2. A hőátadás formái és törvényei 2. A hőátadás formái Tapasztalat: tűz, füst, meleg edény füle, napozás Hőáramlás (konvekció) olyan folyamat,

Megjegyzések (észrevételek) a szabad energia és a szabad entalpia fogalmához

Ideális gáz és reális gázok

Osztályozó vizsga anyagok. Fizika

Bevezető megjegyzések

6. Termodinamikai egyensúlyok és a folyamatok iránya

Lemezeshőcserélő mérés

TRANSZPORT FOLYAMATOK MODELLEZÉSE

W = F s A munka származtatott, előjeles skalármennyiség.

Gáztörvények tesztek

Gáztörvények tesztek. 2. Azonos fajtájú ideális gáz különböző mennyiségei töltenek ki két hőszigetelt tartályt. Az egyik

BME Energetika Tanszék

Termodinamika. Tóth Mónika

ALKALMAZOTT MŰSZAKI HŐTAN

Égés és oltáselmélet I. (zárójelben a helyes válaszra adott pont)

A termodinamika alapfogalmai

A fizika története (GEFIT555B, 2+0, 2 kredit) 2010/2011. tanév, 1. félév

A TételWiki wikiből 1 / 17

Mivel foglalkozik a hőtan?

Az előadás vázlata: Állapotjelzők: Állapotjelzők: Állapotjelzők: Állapotjelzők: nagy közepes kicsi. Hőmérséklet, T tapasztalat (hideg, meleg).

A Fenntartható fejlődés fizikai korlátai. Késíztette: Rosta Zoltán Témavezető: Dr. Martinás Katalin Egyetemi Docens

Hőtan 2. feladatok és megoldások

Klasszikus zika Termodinamika I.

Fermi Dirac statisztika elemei

71. A lineáris és térfogati hőtágulási tényező közötti összefüggés:

BME Energetika Tanszék

2. A termodinamika I. főtétele

Mérnöki alapok 8. előadás

Anyagtudomány. Ötvözetek egyensúlyi diagramjai (állapotábrák)


valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

Átírás:

Fizika Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK 2017. március 20.

A termodinamikai rendszer fogalma Termodinamika: Nagy részecskeszámú rendszerek fizikája. N A 10 23 db. A rendszer(r): A világ azon része, amely képzelt vagy valós határolófalakkal van a környezettől(k) elválasztva. Ilyen nagy részecskeszámú rendszert régen mechanikailag lehetetlen volt kezelni. A nagyteljesítményű számítógépek elterjedésével termodinamikai rendszerek leírása sem elképzelhetetlen, de ma sem könnyű feladat. A XVIII. században a termodinamikai rendszereket makrosz -kopikus tulajdonságai alapján vagy a belső folyamatok statisztikai elemzése alapján kezdték vizsgálni (fenome -nologikus és statisztikus termodinamika).

Paraméterek A termodinamika rendszert igen nagyszámú fizikai mennyiségekből álló halmaz jellemez. Ezeket a fizikai mennyiségeket paramétereknek nevezzük. A makroszkópikusan mérhető fizikai mennyiségeket állapotjelzőknek nevezzük. A legfontosabb állapotjelzők: p, V, T. Paraméterek p V T m ρ e N US R K µ M Φ

Általános energetika A termodinamika alapproblémája a rendszer és a környezet közötti energiacsere leírása. Az energiacsere leggyakoribb módja a termikus kölcsönhatás, a munkavégzés és az anyagi kölcsönhatás. du = TdS dugattyú pdv µdn egyfázisú µdn TdS többkomponensű termikus k. munka v. pdv + µdn anyagi k.

Az U Az ekvipartíciótétel alapján a gázrészecskék rendezetlen mozgásához tartozó energiák összessége (belső energia): U = N f 2 kt = f m 2 M RT = f 2 pv. Az ideális gázok belső energiája csak a hőmérséklettől függ! U = U(T) Reális gázok esetén a térfogattól is függ: U = U(T, V), mert a gázrészecskék közötti intermolekuláris kölcsönhatások függnek a távolságtól.

Az U és az első főtétel A tapasztalat szerint ha a részecskeszám állandó egy rendszer belső energiájának (hőmérsékletének) megváltozása kétféle módon mehet végbe, munkavégzéssel és hőközléssel (termikus kölcsönhatás során átadott energiával): du állaptfgv. = dq folyamatfgv. + dw folyamatfgv. Az energiacsere rendezett módját a munkavégzés, még a rendezetlen módját a hőközlés reprezentálja..

A hőmennyiség A termodinamika kialakulásakor úgy gondolták, hogy a hő egy láthatatlan folyadék, amely egyik testből a másikba áramlik. Ezt flogisztonnak, majd kalorikumnak (hőanyagnak) nevezték. A mérések során kiderült, hogy a hőanyagnak nincs tömege. Rumford vizsgálatai során kimutatta, hogy a mozgás korlátlan mennyiségben hővé alakítható anélkül, hogy a környező testek lehűltek volna. Így a hőanyag nem létezik. A hőmennyiség a munkával analóg fogalom. Termikus kölcsönhatás során átadott energia mértéke, de nem energia!

Előjelkonvenció A táguló gáz során a gáz belső energiája csökken. Ennek oka az, hogy az elmozgó dugattyúról kisebb sebességgel pattannak vissza a gázrészecskék. Ezért az első főtétel táguló gázra előjelhelyesen a következő: U 12 = Q 12 W 12. Az összenyomódó gáz belső energiája viszont nő, így az első főtétel előjelhelyesen: U 12 = Q 12 + W 12. Hőfelvétel esetén Q 12 > 0, hőleadáskor Q 12 < 0.

A termodinamikai körfolyamat A körfolyamat során a termodinamikai rendszer állapotváltozásai során visszajut a kezdeti állapotába. p p 1 V 1 V

Elsőfajú perpetuum mobile Tehát egy termodinamaikai körfolyamat során a kezdő és a végállapot azonos. Így a kezdeti állapotban és a végállapotban a hőmérséklet azonos. U = 0 mert T = 0 Q + W = 0 ha Q = 0 W = 0 Ha viszont nem fektetünk be energiát azaz Q = 0, akkor W is nulla. Mit jelent ez? W a gáz által végzett munka. Tehát nem létezik olyan körfolyamat, amelynek során a rendszer energiafelvétel nélkül munkát tudna végezni. Az ilyen fiktív gépet elsőfajú perpetuum mobilének nevezzük.

Elsőfajú perpetuum mobile Az elsőajú perpetuum mobile létezése sértené a termo -dinamika első főtételét. Ezért így is fogalmazhatunk: A termodinamika első főtétele értelmében nincs és nem is készíthető elsőfajú perpetuum mobile. A perpetuum mobile latin eredetű szó jelentése örökmozgó. Ilyen gép lehetetlensége azt a nyilvánvaló dolgot fogalmazza meg, hogy a semmiből nem lehet energiát teremteni. Egy ilyen gép létezése ellentmondana az energiamegmaradás tételének. Később látni fogjuk, hogy a másod és harmadfajú perpetuum mobilék tilalma ennél sokkal kevésbé nyilvánvaló!

Hőkapacitás, fajhő Az anyagoknak azt a tulajdonságát, amely megmutatja, hogy hőmérsékletük egy kelvinnel való megváltozásához mekkora energia szükséges hőkapacitásnak nevezzük. Jele: C, mértékegysége: [C]=J/K. Definíciója: C v = du dt Az egy kilogramm tömegű anyagra vonatkoztatott hőkapacitást a fajhőnek nevezzük. Jele: c, mértékegysége: [c]=j/kgk. Definíciója: c v = 1 m du dt

Mólhő Ha a hőkapacitást egy mol anyagmennyiségre vonatkoztatjuk molhőről beszélünk. Jele: c M, mértékegysége: [c M ] =J/K. A XIX. század elején Dulong és Petit fracia fizikusok, arra a következtetésre jutottak, hogy a kristályok mólhője anyagtól függetlenűl c M = 3R 25 J/K. Ezt Dulong-Petit szabálynak nevezzük. A szabály azonban csak jóval a szobahőmérséklet fölötti hőmérsékletekre igaz minden anyagra. Alacsony hőmérsékletek felé haladva a kristályok fajhõje egyre kisebb lesz mint 3R és zérushoz tart.

Ideális gázok fajhője, mólhője c v = 1 du m dt = 1 ( ) d f m m dt 2 M RT c v = f R d 2 M dt (T) = f R 2 M c M = Mc v = M f R 2 M = f 2 R U(T) = f m 2 M RT = f R mt = c v mt kalorikus á.e 2 M c v

Az állandó nyomáshoz tartozó fajhő Vezessünk be egy új termodinamikai mennyiséget az entalpiát: H = U + pv. Az állandó nyomáshoz tartozó fajhő: c p = 1 dh m dt = d (U + pv) dt c p = 1 ( ) d f m m RT + m dt 2 M M RT c p = d ( f RT dt 2 M + RT ) = f + 2 R M 2 M

Elsőfajú perpetuum mobile A két fajhő kapcsolatára vonatkozik az ún. Robert-Mayer egyenlet: c p c V = R M. Julius Robert von Mayer német hajóorvos volt. Elsőként fogalmazta meg az energiamegmaradás elvét. Eredményeit sokáig nem ismerték el.

Ideális gázok fajhője A gázok fajhője szoros összefüggésben van azzal a folyamattal, amelyben részt vesznek. Egy általános folyamat során a gáz fajhője minden állapotban más és más értékű lehet. Tehát általános folyamatban c = c(t). Ezért különösen fontosak azok a folyamatok, amelyek során a fajhő az állapotváltozás során nem változik. Ezeket a folyamatokat politróp folyamatoknak nevezzük. Pl. az origón átmenő egyenes mentén végzett folyamat és az izobár, izochor folyamatok politrópok.

A hőmennyiség számítása Azokban a folyamatokban, amikor a fajhő állandó (izochor, izobár, origón átmenő egyenes) a hőmennyiség a fajhő ismeretében számítható: Q = cm T. Ha a fajhő nem állandó a folyamat során, az első főtétel alapján tudjuk kiszámítani: U 12 = Q 12 W 12 expanzió Q 12 = U 12 + W 12 Q 12 = c v m 2 + W 12

Nevezetes folyamatok izobár (p=állandó) izochór (V=állandó) izoterm (T =állandó) izentropikus (kvázisztatikus adiabatikus) (Q = 0) politróp (c =állandó)

Izobár folyamat p 1 p T 2 W 12 V 1 = V 2 T 2 (1) U 12 = Q 12 W 12 (2) c v m 2 = c p m 2 p 1 V 12 c v m T 12 = c p m T 12 m M R T 12 V 1 V 2 V c v = c p R M c v = c p (c p c v ) c v = c v

Izochór folyamat p p 1 p 2 T 2 p 1 = p 2 T 2 (1) U 12 = Q 12 W 12 (2) Q 12 = c v m 2 V 1 V

Izoterm folyamat p 1 p T p 1 V 1 = p 2 V 2 (1) U 12 = Q 12 W 12 (2) U 12 = Q 12 W 12 0 = Q 12 W 12 Q 12 = W 12 p 2 W 12 V 1 V 2 V W 12 = V 2 V 1 m M RT dv V

Izoterm folyamat p 1 p 2 p T W 12 V 1 V 2 V W 12 = V 2 V 1 m M RT dv V W 12 = m V2 M RT V 1 W 12 = p 1 V 1 ln V 2 V 1 dv V = m M RT ln V 2 V 1

Kvázisztatikus adiabatikus folyamat Kvázisztatikus adiabatikus folyamat során nem lép fel hőcsere a rendszer és a környezete között, mert hőszigeteléssel erről gondoskodunk (termosz). p 1 p 2 p W12 V 1 V 2 T 2 V du = dq pdv du + pdv = 0 c v mdt + 1 m V M RTdV = 0 M dt c v R T + dv V = 0 c v dt c p c v T + dv V = 0

Kvázisztatikus adiabatikus folyamat p 1 p 2 p W12 V 1 V 2 T 2 V c v c p c v c v c p c v dt T + dv V = 0 T 2 dt T + V 2 V 1 dv V = 0 c v c p c v ln T 2 + ln V 2 V 1 = 0

Kvázisztatikus adiabatikus folyamat p 1 p 2 p W12 V 1 V 2 T 2 V c v ln T 2 + ln V 2 = 0 c p c v V 1 { (T2 ) c v } cp cv ln + ln V 2 = 0 V 1 { ( ) V c v } ln 2 T2 cp cv = 0 V 1

Kvázisztatikus adiabatikus folyamat p 1 p 2 p W12 V 1 V 2 T 2 V ln { V 2 V 1 ln exp ln T 2 ( T2 ( T 2 V2 V 1 ( V2 V 1 ) c v } cp cv = 0 ) c p cv cv ) c p cv cv = 0 = exp(0)

Kvázisztatikus adiabatikus folyamat p 1 p 2 p W12 V 1 V 2 T 2 V T 2 ( V2 V 1 ) c p cv cv = 1 V 1 κ 1 = T2 V 2 κ 1 /κ = c p = f + 2 / c v f κ κ p 1 V 1 = p2 V 2

Adiabatikus folyamat Kvázisztatikus adiabatikus folyamatokra tehát a következő törvények érvényesek: p 1 V 1 κ V 1 κ 1 = p 2 V 2 κ = T 2 V 2 κ 1. Az adiabatikus folyamatokba beleértjük a gyors folyamatokat is pl. a gyors égéseket és robbanásokat. A hang terjedése a levegőben is adiabatikus folyamat. A gyors folyamatok során nincs idő a hőcserére. Ezek a folyamatok p V síkon nem ábrázolhatók!

Izotermák és adiabaták rendszere 30 25 20 p 15 10 5 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 V

Izotermák és adiabaták rendszere 30 29.5 29 28.5 28 p 27.5 27 26.5 26 25.5 25 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5 V

Érintők meredeksége a p V sík egy adott pontjában Bizonyítható, hogy a p V sík bármely pontjában az adiabata meredeksége nagyobb mint az izoterma meredeksége. A két meredekség hányadosa éppen az adiabatikus kitevő: tan(α a) tan(α i ) = κ = c v = f + 2 > 1 c p f A termodinamika második főtételét erre a megállapításra is lehet alapozni. Ezt az adiabatikus elérhetetlenség elvének nevezik.

Politróp folyamatok A politróp folyamatok során a fajhő állandó. Tehát az izochor, az izobár, az izoterm és az adiabatikus folyamatok politrópok. p 1 V 1 n = p2 V 2 n, ahol n politróp kitevő, mely definíció szerint: n = c p c c V c. Itt c az adott folyamatra vonatkozó fajhő. Az általános fajhő kifejezhető n-nel: c = n κ n 1 c V.

A termodinamika második főtétele természeti folyamatok iránya (reverzibilitás) hőerőgépek hatásfoka Kazán Q 1 Gép W Hűtő Q 2 T 2

A hőerőgép Kazán Q 1 η = W hasznos W össz = Q 1 Q 2 Q 1 Gép Hűtő Q 2 W ha. Létezik-e 100%-os hatásfokkal működő hőerőgép? Melyik a legjobb hatásfokú körfolyamat? T 2

A Carnot-ciklus Bizonyítható, hogy a Carnot-körfolyamat a legjobb hatásfokú körfolyamat. 30 25 20 p 1 1 p 15 p 2 2 T2 10 5 p 4 p 3 4 3 V 1 V 2 V 3 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 V

A Carnot-ciklus η c = W hasznos W össz = Q 1 Q 2 Q 1 = T 2 = 1 T 2 Akkor kapnánk 1-et (100%-ot) ha = 0 K vagy T 2 = lenne. Látni fogjuk, hogy az abszolút zérus fok bár megközelíthető, de el nem érhető. Gyakorlati okokból T 2 -őt sem lehet korlátlanul növelni. Tehát elvi és gyakorlati okokból nem lehetséges 100 %-os hatásfokú gépet működtetni. A Carnot-ciklus gyakorlati jelentősége az, hogy felső becslést adhatunk általa különféle hőerőgépek hatásfokára.

A termodinamika második főtétele Ostwald szerint a természetben nincs és nem is készíthető másodfajú perpetuum mobile. Ilyenek a Clausius és Kelvin által elképzelt gépek. Q 2 Cl K W Q T 2 Q 1 T 2

A hőerőgép A természetben a mechanikai munka teljes egészében átalakítható hővé. Az elvont hő viszont nem alakítható át teljes egészében mechanikai munkává! Kazán Gép Hűtő T 2 Q 1 W ha. Q 2 Hulladékhő η = W hasznos W össz = Q 1 Q 2 Q 1 η = T 2

A hőerőgép Hasonlítsuk össze a Carnot-ciklus hatásfokát az összes többi hőerőgép hatásfokával! Q 1 Q 2 Q 1 = T 2 1 Q 2 Q 1 = 1 T 2 1 Q 2 Q 1 = 1 T 2 Q 2 = T 2 Q 1 Q 2 Q 1 = 0 T 2

A hőerőgép A reverzibilis Carnot-ciklus során az ún redukált hők összege nulla. Q 2 Q 1 = 0 T 2 Q 2 + Q 1 = 0 T 2 A Q 2 /T 2 redukált hő a munkára nem fogható energiával kapcsolatos! Bizonyítható, hogy bármely reverzibilis körfolyamatban a redukált hők összege nulla.