za Osijek, J.Brnjas-Kraljević

Παρουσίαση με θέμα: "za Osijek, J.Brnjas-Kraljević"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 za Osijek, 2004. J.Brnjas-Kraljević
Termodinamika za Osijek, J.Brnjas-Kraljević

2 Rječnik pojmova sistem konačan zamišljene granice konačna okolina
stvarne granice sistem konačan zamišljene granice konačna okolina beskonačna intenzivni  f(dimenzije sistema) T,r,c, parametri ekstenzivni = f(dimenzije sistema) m,V,E,

3 funkcija stanja sistema – ovisi samo o funkcijama
početnog i konačnog stanja procesna funkcija – ovisi o načinu procesa Odnos sistema i okoline: izolirani - Dm = 0 DE = 0 sistem zatvoreni - Dm = 0 DE = 0 otvoreni - Dm = 0 DE = 0

4 termodinamička ravnoteža - za izolirani sistem –
intenzivne veličine sistema nepromjenljive u vremenu, a postoji interakcija unutar sistema stacionarno stanje – za zatvoreni i otvoreni sistem - odvija se interakcija s okolinom ali se ne mijenjaju termodinamički parametri reverzibilni – ne kraju procesa nema promjene procesi stanja sistema niti okoline ireverzibilni – dobro definirani smjer procesa

5 Unutarnja energija, toplina i temperatura
Uslijed gibanja, položaja prema drugim česticama i međudjelovanja s drugim česticama čestice sustava imaju neku energiju. Zbroj svih energija čestica (kinetičkih i potencijalnih) u sustavu naziva se unutarnja energija. Energiju je nemoguće ustanoviti, nego samo njenu promjenu. Do promjene dolazi ako zatvoren sustav razmjenjuje s okolinom bilo energiju ili rad. Što ako sustav ne razmjenjuje rad?

6 ISTRAŽIVANJA POKAZUJU DA JE ZA TOPLINSKE POJAVE OSIM TOPLINE VAŽNA VELIČINA KOJA OPISUJE STUPANJ TOPLINSKOG STANJA; TEMPERATURA Promatramo li kinetičku energiju idealnog plina u kockastom tijelu: Čestice uslijed gibanja tlače stijenku tlakom p, te je sila na stijenku: Znači rad te sile je: Zbog nasumičnog rasporeda čestica jasno je da rad koji obavljaju čestice u smjeru svake koordinatne osi potječe od trećine ukupne kinetičke energije, pa je: Plinski zakon, koji je izveden u drugom području fizike kaže: Konačno se vidi da je temperatura jedina mjera kinetičke energije čestica:

7 Energija je osnovna veličina u termodinamici – pretvorba energije
sistem ima unutrašnju energiju – dva tijela jednake temperature ne moraju imati jednake U – zbog doprinosa energija kemijskih veza U se mijenja procesima – to promatra termodinamika na makroskopskoj skali termodinamika izuzima toplinu od svih drugih energija toplina je energija u prijelazu između sistema jer su različitih temperatura

8 Što je jednako a što različito za 1 gram vode na 00C i 1 g bakra na 00C ?
jednaka temperatura jednaka prosječna kinetička energija molekula nisu jednake unutarnje energije nisu jednaki toplinski kapaciteti c (vode) = 4186 J/kg K c (bakra) = 386 J/kg K Zašto? unutarnja energija = translacijska kinetička energija + vibracijska i rotacijska kinetička energija + potencijalna energija od intermolekularnih sila

9 Sadržaj unutarnje energije
molekularni plin tekućina ili čvrstina monoatomni plin ovaj doprinos jako varira za različite tvari jako velik za vodu translacijska kinetička energija energija rotacija i vibracija potencijalna energija intermolekularnih sila

10 Termodinamički zakoni
nulti - ako su sistemi A i B svaki za sebe u termičkoj ravnoteži sa sistemom C onda su i međusobno u ravnoteži (omogućuje mjerenje T sistema) T(A) = T(C) i T(B) = T(C) onda je T(A) = T(B) treći - sistem ne može poprimiti temperaturu 0 K u konačnom broju procesa. I na najnižim temperaturama postoje gibanja atoma, dakle ne može se doseći stanje u kojem su sva gibanja zamrznuta.

11 Termodinamički zakoni
prvi - Mayer 1842 i Youle princip očuvanja energije: energija se niti stvara niti troši; ona se stalno pretvara drugi - D Ssvemira > 0 – entropija Svemira stalno raste - spontani su procesi koji povećavaju entropiju. - entropija određuje smjer spontanih interakcija - određuje prije i nakon - vezana je s toplinom i zato je toplina posebna energija D U = Q + W D S = Q / T

12 Mehaničke interakcije
to su sva ona djelovanja vanjskih sila na sistem koja uzrokuju promjenu unutrašnje energije – različite deformacije u mehanici definicija rada: djelovanje sile na putu pomaka težišta - veličina rada između A i B ovisi o putu - to je procesna veličina za konstantnu silu F0 koja djeluje paralelno putu W = F0 s F0 a ds A B

13 Mehaničke interakcije
promjena unutrašnje energije zbog volumnog rada

14 Toplinske interakcije
promjene stanja sistema zbog razlike temperatura toplina uvijek mijenja unutrašnju energiju a može još i volumen sistema Q = D U Q = D U + p DV = DH H je entalpija sistema Q Q T T0 > T temperatura okoline tijela T

15 TOPLINSKO RASTEZANJE TVARI
Promjenom temperature svim se tijelima mijenja obujam, ovisno o tvari. Primjer štapa. Ako se povišenjem temperature Δt duljina štapa poveća za Δl, ukupna duljina štapa je Rastezanje štapa će ovisiti o početnoj duljini i promjeni teperature, uz konstantu proporcionalnosti α, koji se naziva toplinska rastezljivost, te je:

16 Posljedice toplinske interakcije
1. promjena temperature sistema: Q = m c DT c – specifični toplinski kapacitet tvari – energija potrebna da se temperature sistema mase od 1 kg promijeni za 1 stupanj 2. promjena agregatnog stanja: Q = DH = Dm Lp,T Lp,T- latentna toplina prijelaza – energija potrebna da masa 1 kg promijeni fazu pri stalnom tlaku i na stalnoj temperaturi 3. kemijske reakcije – egzogene i endogene – toplina se oslobađa iz sistema ili ulazi u sistem ovisno o energiji stanja sudionika u reakciji

17

18 PRIMJER TOPLINE POTREBNE ZA PRETVORBU LEDA U VODU I PARU

19

20 Transporti energije i tvari

21 Transportne pojave Prijenos energije Prijenos energije i mase Prijenos mase Toplinske interakcije Mehaničke interakcije Difuzija zbog T≠T0; DT = T-T zbog p≠p0; Dp = p-p zbog c≠c0; Dc = c-c0 Kondukcija spontani prijenos transport kroz konduktor Konvekcija kroz propusnu membranu transport fluidom Isparavanje kroz polupropusnu membranu Toplinsko zračenje

22 Prijenos energije zbog T ≠ T0
a) Kondukcija vođenje topline konduktorom ili direktnim kontaktom – metali dobri konduktori snaga kondukcije za stacionarnu kondukciju- konstantan gradijent temperature kcd (Cu)=382 W/Km kcd (koža)=0,015 W/Km T0 T A gradijent temperature Dx

23 b) Konvekcija vođenje topline prirodnim gibanjem fluida zbog gravitacijske sile pretpostavka da nema mirnog sloja fluida uz tijelo - prisilna konvekcija koeficijent konvekcije ovisi o oba sistema snaga konvekcije kcv (tijelo) = 7 W/m2K kad je v=0 kcv = f(v) T0 T

24 Utjecaj vjetra na osjet topline
Stvarna temperatura / °C 30 20 10 -10 -20 -30 v / ms-1 Temperatura osjeta zbog utjecaja vjetra / °C 2 5 29 17 - 7 -19 -31 -43 15 1 -13 -27 -40 -54 14 -1 -16 -45 -60 28 13 -2 -17 -32 -48 -63

25 d) toplinsko zračenje – Stefan-Boltzmanov zakon
c) Isparavanje – promjena faze – velika latentna toplina isparavanja vode – snaga d) toplinsko zračenje – Stefan-Boltzmanov zakon L (znoj) = 2,4 x 106 J/kg T0 T T e ( koža) = 0,98

26 Prijenos topline u ljudskom organizmu
izmjena topline - suprotnim protokom ohlađena krv u ekstremitetima – manji gubitak energije sistema ugrijana krv prema srcu – manji napor srca raspodjela temperature u biosistemu u toploj i hladnoj okolini

27 Prijenos čestica zbog c1≠ c2
a) difuzija – spontani prijenos - zbog gradijenta koncentracije - za stacionarnu difuziju - I. Fickov zakon Dn2 Dn1 A Dx c2 c1 gradijent koncentracije se ne mijenja – aktivni procesi Dn1 > Dn konačni tok prema manjoj koncentraciji tok čestica / mol L-1 koeficijent difuzije za male sferne molekule

28 Difuzija u čvrstom stanju
difuzija atoma kroz kristalnu rešetku – nestacionarna difuzija – homogena koncentracija – II. Fickov zakon za izotropna tijela jedna difuzijska konstanta – anizotropna tijela u svakom smjeru drugačija konstanta difuzije je funkcija temperature i koncentracije defekata intersticijski atom mehanizmi za seoba praznina supstitucijski atom intersticijska mjesta grupe atoma

29 Difuzija čestica kroz propusnu membranu
dva homogena dijela različitih koncentracija odijeljena su membranom topive su u membrani - slobodno čestice prolaze kroz membranu difundiraju nisu topive - prolaze porama c1 c2 l c1 C1, c2 C2,

30 Biološke membrane – polupropusne Osmoza
membrana ne propušta otopljene čestice propušta otapalo – difuzija otapala u područje veće koncentracije otopljene tvari izjednačenje parcijalnih tlakova otapala – ravnotežni tok kroz membranu različiti hidrostatički tlakovi – iznos osmotskog tlaka jednak razlici osmotski tlak – tlak na membranu kojim se sprečava protok otapala p = Dp = c R T Dp=p c1 c2

31 Prijenos nabijenih čestica – selektivna membrana
membrana propusna za pozitivne ione dva područja – različitih koncentracija – oba neutralna zbog koncentracijskog gradijenta – protok + iona – inducira električno polje u membrani – napon preko membrane – brzina protoka opada – ravnotežni protok – izjednačeni protoci uzrokovani koncentracijskom razlikom i naponom preko membrane ravnoteža – izjednačenje kemijskih potencijala t = 0 ravnoteža c1 + + - - - + - + + - + - + - + + + - + + - - - + - - - + + - - - - + c2 + - + - + + - + - + + - + - - + - + + + - - + + + - + - - + - + - - + -