8/11/2019 PEE_2b_2k12

1/62

PODSETNIK IZ FIZIKE(Osnovni pojmovi iz molekularne fizike i termodinamike)

8/11/2019 PEE_2b_2k12

2/62

Osnovni pojmovi

Fizika (grki phusis, fysis: priroda) je nauka koja prouava prirodu u

najsveobuhvatnijem smislu.

Fizika se oslanja na

iskustva oveka i

na jedan mali broj fundamentalnih zakona,

zakoni ouvanja energije, mase, elektrinog optereenja, koliine kretanjai momenta koliine kretanja,

koji su dobijeni kao rezultat uoptavanja jednog veoma velikog brojaeksperimenata.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

3/62

Molekularna fizika

Predstavlja deo fizike koji izuava strukturu i svojstva

materije polazei od tzv. molekularno-kinetike teorije.

Saglasno tome, svako telo (vrsto, teno ili gasovito) sastoji se iz velikogmnotva veoma malih estica - molekula. Molekuli se mogu sastojati odjednog, dva ili vie atoma. Makroskopske osobine materije (tvari) moguse bolje razumeti pomou molekularne teorije materije, tj. posmatrajuita se dogaa u mikroskopskom svetu atoma i molekula.Atomi unutarmolekula vezani su silama ije je poreklo elektrine prirode.

Molekularnu i atomsku strukturu mogue je shvatiti samo pomoukvantne fizike, te emo se zadrati samo na kvalitativnom opisumeusobnog delovanja atoma i molekula.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

4/62

...

Na slici je prikazano kako sila zavisi od udaljenosti dvaju atoma u dvoatomnommolekulu i odgovarajua potencijalna energija Ep(r). Kad su atomi na meusobnojudaljenosti, r=ro, molekul je u ravnotenom stanju, a potencijalna energija jeminimalna. Kada je udaljenost, rro atomi se privlae. Odgovarajue potencijalne energijezadovoljavaju uslov F=-grad Ep. Jedna od vanijih karakteristika ovakvih sila je

zasi

enost:

im se dva atoma privuku i formiraju molekul, oni vie ne delujuna ostale atome.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

5/62

...

Kod vrstih tela molekuli (atomi) osciluju oko skoro fiksnih centara koji su

pravilno raspore

eni formiraju

i kristalnu reetku.

U tenostimasu meumolekularne udaljenosti neto vee, privlane sileslabije, te su molekuli pokretljiviji.

U gasovima molekuli su daleko jedan od drugog, meumolekularne silevrlo su slabe te se molekuli kreu skoro slobodno i skoro ne utiu jedanna drugog.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

6/62

...

U svim telima estice se neprestano kreu i to kretanje nazivamo

toplotno kretanje.

Zbog tog kretanja estice poseduju toplotnu energiju.

Na oseaj toplijeg i hladnijeg zavisi od kinetike energije esticamaterije s kojom dolazimo u dodir.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

7/62

...

Dovedemo li dva tela, hladnije i toplije u meusobni kontakt, estice s

ve

om kineti

kom energijom u sudarima predaju energiju onima smanjom energijom. Na taj nain energija u obliku toplote prelazi sjednog tela na drugo.

Za telo koje pri tom gubi energiju kaemo da je toplije, a za ono nakoje energija prelazi da je hladnije.

Prelaz toplote traje sve dok se ne uspostavi ravnotea.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

8/62

...

Molekuli koji se bre kreu u toplijem telu

predaju svoju energiju molekulima hladnijegtela, usporavaju se i toplije telo se hladi;molekuli hladnijeg tela ubrzavaju se i telo segreje.

U termikoj ravnotei srednja kinetika energijaistovrsnog kretanja molekula oba tela jejednaka.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

9/62

...

Da bi smo odredili stepen zagrejanosti nekog tela, definiemo

temperaturu.

Temperatura je u vezi sa srednjom kinetikom energijom molekularnogkretanja. Kad dva tela imaju jednaku srednju kinetiku energiju kretanjaestica (atoma ili molekula), ako ih dovedemo u kontakt, toplotna energijanee prelaziti s jednog na drugo; kaemo da su tela na istoj temperaturi.

Klasi

na molekularno-kineti

ka teorija ne moe objasniti sve pojave otoploti i za potpunije opisivanje toplotnih pojava potrebno je upotrebitikvantnu fiziku, to izlazi iz okvira ovog kursa.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

10/62

Toplota i temperatura

Toplota i temperatura esto se spominju u svakodnevnom govoru. Pri

tome se ponekad i zamenjuju jedna s drugom, ili pak imaju nejasnaznaenja. U fizici su to dva bitno razliita, iako fundamentalnopovezana pojma. Razlika je uoljiva ve iz jedinica kojima se mere:

toplota se meri dulima (J),

a temperatura kelvinima (K) ili Celzijusovimstepenima ( oC),

zavisno od temperaturne skale kojom se sluimo.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

11/62

...

8/11/2019 PEE_2b_2k12

12/62

...

Temperaturu nije jednostavno definisati, ak i ako njen smisao intuitivno

dobro razumemo. Definicija koju naj

e

e nalazimo glasi:temperatura je veliina kojom se meri odstupanje odtoplotne ravnotee.

ta to znai?Dodirom moemo razlikovati toplo i hladno: stavimo li ruku pod mlazvode iz slavine, odmah emo prepoznati je li voda hladna ili topla. No ako

to u

inimo nakon dugotrajnog boravka na snegu i grudvanja, i hladnavoda iz slavine uinie nam se topla. Pri tome zapravo ocenjujemo

razliku, odstupanjeod nekog odreenog stanja. Takvo se stanjenaziva toplotnom ravnoteom.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

13/62

...

Ako pri dodiru ruke i vode osetimo da je voda hladnija ili toplija od ruke,

tada ruka i voda nisu u toplotnoj ravnotei.

Prilagodimo li smesu tople i hladne vode tako da voda bude mlaka, dakleni toplija ni hladnija od ruke, i da rukom ne oseamo razliku, tada

moemo re

i da suruka i voda u toplotnoj ravnotei, ili

da imaju jednaku temperaturu.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

14/62

...

U fizici se sluimo tanijim nazivom i govorimo o

termodinamikoj temperaturi.

Termodinamika temperaturaje skalarna fizikalna veliina,

jedna od sedam osnovnih veliina sistema SI i iskazuje sejedinicom kelvin (K).

Ona je uvek pozitivna, pa se naziva jo i apsolutnatemperatura.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

15/62

...

Toplotaje, za razliku od temperature, energija povezana s

kretanjem estica u materiji.

Pojednostavljeno reeno,

estice se u materiji kreu bre ako je temperatura via, asporije ako je temperatura nia.

No ne moemo svaku energiju takvog unutranjegestinog kretanja nazvati toplotom. Pri dodiru dvaju telarazliitih temperatura, deo energije kretanja prelazi stoplijeg tela na hladnije.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

16/62

...

Toplotaje upravo onaj deo unutranje energije koji prelazi

s jednog tela na drugo pri izjednaavanju njihovihtemperatura, dakle pri uspostavljanju toplotne ravnotee.

Jedinica za merenje toplote istovetna je s jedinicom zaenergiju: u SI sistemu to je dul (J).

No zastarele jedinice, kalorija kao i kilokalorija, 1 kcal = 4187J; katkad se jo uvek spominju.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

17/62

...

8/11/2019 PEE_2b_2k12

18/62

...

Toplota je energija elektromagnetnog zraenja.

Ovo zraenje se vri pravolinijski i nije vezano za materijalnu sredinu tj.vri se i kroz bezvazduni prostor.

Toplotno (infracrveno) zraenje u spektru elektromagnetnog zraenjazahvata talasne duine od 0,4do 800, a one zavise od temperaturetela koje zrai. to je via temperatura tela utoliko su manje talasne

duine zraenja i u podruju od 0,4 do 0,8 (najkrai talasi infracrvenogzraenja) dolazi do svetlosnog zraenja.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

19/62

...

Toplotno zraenje izaziva oscilacije molekula u zracima

pogoenom telu i tako u njemu nastaje toplota.

Amplituda oscilacije molekula je srazmerna koheziji tela, tj

najmanja je kod

vrstih, a najve

a kod gasovitih tela.

Brzina oscilacija je srazmerna visini temperature. Tek priapsolutnoj nuli (273C) svako kretanje prestaje, molekulise nalaze u potpunom mirovanju, toplotno zraenje prestaje,a toplota nestaje.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

20/62

...

Dok toplotni zraci u drugim telima izazivaju molekularne

oscilacije, na povrini koe oveka ovi toplotni zraciizazivaju i oseaj toplote.

Temperaturaje intenzitet (stepen, nivo) toplote.

Temperaturu ovek osea ulima, ali su ona nepouzdana.Zbog toga se ona meri termometrima. U Evropi je uvedenatermometarska skala s Celzijusovim stepenima (C), na kojojje taka smrzavanja vode obeleena sa 0 C, a takakljuanja vode sa 100C pri atmosferskom pritisku od 760

mm ivinog stuba.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

21/62

...

Fahrenheit Celsius Kelvin

Water boils 212F 100C 373 K

Water freezes 32F 0C 273 K

8/11/2019 PEE_2b_2k12

22/62

...

Fahrenheit Celsius Kelvin

Water boils 212F 100C 373 K

180 100C 100K

Water freezes 32F 0C 273 K

8/11/2019 PEE_2b_2k12

23/62

Prenos toplote

Tri naina prenosa toplote:

kondukcija,konvekcija i

radijacija

8/11/2019 PEE_2b_2k12

24/62

Kondukcija toplote

Kondukcija toplote je veoma intuitivan koncept:

predstavlja spontani transfer toplote kroz materijal, u ciljuizjednaavanja toplotnih razlika. Ovo objanjava zato imamooseaj da je metalna klupa ili stolica na dodir hladna, dok jedrvena na dodir topla. Metal je odlian toplotni konduktor iprenosi toplotu tela kroz svoju masu. Drvo, naprotiv, jeveoma lo toplotni konduktor. Iz istog razloga, metalna kaikau kljualoj vodi postane brzo vrua, dok drvena ostaje hladna

na drugom kraju.

Materijali koji se koriste za toplotnu izolacijumoraju imati niskukonduktivnost toplote da bi bili efikasni.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

25/62

Konvekcija toplote

Konvekcija predstavlja prenos toplote cirkulacijom ili

kretanjem toplih estica prema hladnijem prostoru.

Ovo je jo jedan intuitivan koncept jer znamo da topaovazduh ili voda ide navie. Kruenje - hladnije estice sepomeraju u zamenu za tople. Hladne estice se ondazagrevaju i proces se nastavlja stvarajui tako strujukonvekcije.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

26/62

Toplotna radijacija

Toplotna radijacijapredstavlja transfer toplote

elektromagnetnim zraenjem.

Sunce, ili elektrini radijator, su perfektni primeri radijacijetoplote. Svetli, sjajni materijali, kao barijere radijacije,reflektuju zraenje dok tmurni, tamni materijali ga apsorbiju.Dobri izolatori nisu neophodno dobre prepreke zraenju isuprotno.

Primer prepreke zraenju je svetli materijal koji stavite naprednje staklo auta da biste spreili pregrevanje u letnjim

danima.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

27/62

Termodinamika - osnovni pojmovi

Prouava vezu izmeu promena u ispitivanom sistemu i energetskihefekata koji te promene prate, a koje su rezultat promena odreenihosobina materije

Izuava makroskopske pojave ne zalazei u atomsku ili molekulskustrukturu materije, preko ravnotenih stanja pre i posle ostvarenepromene (termodinamikog procesa)

Zbog svoje optosti termodinamika se primenjuje pri analizi mnogihproblema u razliitim oblastima nauke (fizici, hemiji, fizikoj hemiji,geologiji, pripremi mineralnih sirovina, metalurgiji, nauci o materijalima,mainstvu itd.).

8/11/2019 PEE_2b_2k12

28/62

Opta termodinamika prouava sve promene kod kojih je promena stanjamaterije praena i energetskim efektima

Tehnika termodinamika prouava primenu termodinamikih zakona naprocese transformisanja toplote u rad i obrnuto

Hemijska termodinamika termodinamiki analizira hemijske ifizikohemijske procese u svim agregatnim stanjima, pri emu definie:uslove odigravanja procesa, energetske promene pri tom procesu,spontanost procesa, smer odigravanja procesa i konano ravnoteu udatom sistemu.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

29/62

...

U optem smislu, sistem je neto to elimo da analiziramo i razlikujemood okoline ili okruenja. Da bi oznaili sistem, sve to treba da uradimo jeda napravimo granicu izmeu sistema koji nas interesuje i svega ostalog,tj. okruenja.

Preciznija definicija sistema koji se koriste u termalnim naukama jesledea:

Sistem je posebno identifikovana fiksna masa materijala odvojena odsvoje okoline realnom ili imaginarnom granicom.

Da bi se naglasilo da masa sistema ostaje uvek nepromenjena bez obzirato se druge promene mogu pojaviti, re sistem se esto dopunjuje

pridevom, na primer, sistem fiksne mase ili zatvoreni sistem.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

30/62

...

Granice sistema ne moraju biti fiksirane u prostoru, ve se po potrebimogu pomerati. Na primer posmatrajmo kao sistem gas u sklopu cilindar-klip. Kako se gas sabija/komprimuje, granica sistema se pomera/skupljatako da uvek obuhvata istu masu.

Materija koja ini sistem ne mora biti gas.Tenosti ili vrste supstance mogu biti ceosistem ili deo sistema. Kljuna osobinasistema je da on sadri fiksiranu koliinumaterije. Masa ne moe da pree granicusistema.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

31/62

Kontrolna zapremina

Drugi pristup kod reavanja problema je pristup kontrolne

zapremine. Ovde se ne fokusira panja na fiksiranu koliinu fluida.Umesto toga uspostavljamo prozor za osmatranje protoka. I ovde jegranica fiksna.

Za razliku od sistema, ovde masa moe da ue i/ili napusti kontrolnuzapreminu kroz kontrolnu povrinu. To moemo formalno definisati nasledei nain:

Kontrolna zapreminaje region u prostoru odvojen od svog okruenjarealnom ili imaginarnom granicom, tj.kontrolnom povrinom,preko kojemasa moe da pree.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

32/62

...

Slika ilustruje kontrolnu zapreminu i njenu prateu kontrolnu povrinu.Ovde masa u obliku vodene pare ili kapljica vode prelazi gornju granicukao rezultat isparavanja iz tople tenosti kafe. Za ovaj primer izabrali smofiksnu kontrolnu povrinu pri vrhu oljice, meutim, mogli smo daizaberemo valovitu povrinu da bude gornja granica. Izbor pokretnekontrolne povrine moe da uprosti analizu ali to nije uvek sluaj.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

33/62

...

Kontrolna zapremina moe biti jednostavna ili sloena. Fiksiranjekontrolne povrine u prostoru daje najjednostavniju kontrolnu zapreminu,dok su pokretne kontrolne zapremine sa deformabilnim kontrolnimpovrinama veoma sloene. Slika ilustruje naduvan balon koji sepokree izlaznim mlazom vazduha. U ovom primeru, kontrolna zapreminase i kree i smanjuje vremenom u odnosu na nepominog posmatraa.

Gumeni balon i vazduh koji on sadri obrazuju

kontrolnu zapreminu. Kontrolna zapreminapomera se u prostoru i smanjuje kako vazduhistie.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

34/62

...

Termodinamiki sistem predstavlja prostor sa odreenim

sadrajem mase i energije, odabran za ispitivanje, odvojenod okoline realnim fizikim granicama

8/11/2019 PEE_2b_2k12

35/62

...

Otvoren termodinamiki sistem ( kontrolna zapremina) -

razmenjuje sa okolinom masu i energiju

Zatvoren termodinamiki sistem ima konstantnu masu, a saokolinom razmenjuje samo energiju

Izolovan termodinamiki sistem ne razmenjuje sa okolinomni masu ni energiju

8/11/2019 PEE_2b_2k12

36/62

...

Homogen termodinamiki sistem ima sve osobine iste u

svim delovima unutar sistema (npr. gasovi, smee gasova,iste tenosti, pravi rastvori); homogeni sistem je jednofazni

(Faza (agregano stanje)je homogeni deo sistema odvojen oddrugih delova sistema granicama)

Heterogeni termodinamiki sistemi nemaju sve osobine

iste unutar sistema i sastoje se od dve ili vie faza (npr. dvenemeljive tenosti, tenost i vrsta supstanca, dve vrstesupstance, ruda, itd)

8/11/2019 PEE_2b_2k12

37/62

...

Svojstvoje koliinska makroskopska karakteristika sistema.

Primeri svojstava sistema su masa, zapremina, gustina,pritisak, temperatura, visina, irina ... .

Meutim, nisu sva svojstva sistema termodinamika svojstva.

Termodinamika svojstva su na neki na

in povezana saenergijom sistema.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

38/62

...

Stanje termodinamikog sistema definie se

termodinami

kim parametrima (svojstvima) stanja. Oveveliine se mogu podeliti na: ekstenzivne i intenzivne.

Kada se vrednost bilo kog svojstva/parametra

sistema promeni, sistem prolazi kroz promenu stanja.Na primer, topla kafa u termosu prolazi kroz stalnupromenu stanja poto se sporo hladi. Ne moraju dase menjaju sva termodinamika svojstva kada semenja stanje sistema; masa kafe u zatvorenomtermosu ostaje konstantna, dok temperatura opada.

Vana vetina kod reavanja termodnamikihproblema je identifikacija svojstava koja ostaju fiksnai svojstava koja se menjaju tokom promena stanja.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

39/62

...

Ekstenzivne veliine su one ija vrednost zavisi od mase supstance usistemu (zapremina, koncentracija, energija itd.) i imaju aditivan karakter,

dok intenzivne ne zavise od mase (pritisak, temperatura, viskozitet,gustina, povrinski napon, molarna zapremina, brzina, hemijski potencijalitd.).

Promena termodinamikih veliina zavisi samo od poetnog i krajnjegstanja sistema. Za primarno definisanje sistema koriste se parametri kojise mogu neposredno meriti, a to su npr.: koncentracija (c), pritisak (P),zapremina (V), temperatura (T)

8/11/2019 PEE_2b_2k12

40/62

...

Jedan od ciljeva prouavanja fluida u termalnim naukama je da se razvijeshvatanje kako razliiti ureaji konvertuju jedan oblik energije u

drugi.Na primer, kako se sagorevanjem uglja u elektrani dobija elektricitet kojinapaja elektrine ureaje? Kod analiziranja takvih energetskihtransformacija mi formalno uvodimo ideju termodinamikog procesa:

Proces se pojavljuje svaki put kada sistem menja stanje.

Mada se formalna definicija odnosi na sistem, termin se takoeprimenjuje na kontrolnu zapreminu, konkretno, stacionarni protok kodkoga se svojstva ne menjaju sa vremenom.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

41/62

...

Termodinamika ravnoteaje stanje sistema u kome setermodinamike osobine, odnosno termodinamiki parametri ne menjaju.

Promena stanja sistema (iz poetnog stanja termodinamikeravnotee ili stanja 1 u krajnje stanje ili stanje 2, tj. stanje postignute nove

termodinamike ravnotee posle odigrane promene) naziva setermodinamiki proces,

pri kome se menja jedna ili vie osobina sistema (c, P, V, T) tako da sepromena sistema definie preko promena odreenih termodinamikih

parametara.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

42/62

...

Slika ilustruje proces u kome se gas koji se nalazi u cilindru u stanju 1klipom sabija do stanja 2. Sa slike je jasno da se jedno svojstvo,zapremina, menja tokom prelaska iz stanja 1 u stanje 2. Bez detaljnogpoznavanja procesa, ne moemo znati da li su se druga svojstvatakoe promenila.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

43/62

...

U mnogim termodinamikim analizama,jedno svojstvo na

primer, temperatura, pritisak ili entropija se dri konstantnimza vreme procesa. U ovim konkretnim sluajevima te procesenazivamo

proces konstantne temperature (izotermni proces),

proces konstantnog pritiska (izobarni proces) iliproces konstantne entropije (izentropni proces),

respektivno

8/11/2019 PEE_2b_2k12

44/62

...

Ireverzibilni procesi (nepovratni) su procesi koji se

odigravaju samo u jednom smeru sami od sebe (spontano),konanom brzinom do uspostavljanja ravnotee. Svi delovisistema se ne menjaju na isti nain pa se ovi procesi nemogu povratno izvesti istim putem (na isti nain).

Kao primer ovakvog procesa moe da poslui prelazaktoplote sa mesta vie temperature na mesto nie

temperature, sagorevanje goriva i dr.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

45/62

...

Za reverzibilne procese (povratne) karakteristino je da se

mogu odigrati u oba smera (od po

etnog do krajnjeg stanja, iobrnuto), beskonano malom brzinom tako da sistemstalno prolazi kroz niz ravnotenih stanja. Ovakvih procesa uprirodi ima vrlo malo (npr. topljenje leda ili mrnjenje vode).

Mogu se shvatiti kao granini kojima tee ili od kojih seudaljavaju prirodni procesi.

Kao primer moe da poslui i izotermsko irenje ikomprimovanje idealnog gasa.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

46/62

...

UNUTRANJA ENERGIJA SISTEMA, U, je energetski

sadraj sistema, tj. ukupna energija koju poseduje sistemosim potencijalne energije koju sistem ima usled svogpoloaja u prostoru.

Apsolutna vrednost unutranje energije, U, se ne moeodrediti, ali je za termodinamiku od znaaja da se utvrdisamo promena unutranje energije, U, pri nekom

termodinamikom procesu:

2 1U U U

8/11/2019 PEE_2b_2k12

47/62

...

gde je U1 unutranja energija sistema u stanju 1, a U2

unutranja energija sistema u stanju 2.

Unutranja energija je termodinamika funkcija stanjasistema, a to znai da njena promena zavisi samo odpoetnog i krajnjeg stanja sistema, koja su definisanatermodinamikim parametrima, a ne od naina prevoenjasistema iz stanja 1 u stanje 2.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

48/62

Prvi zakon termodinamike

Energijaje fundamentalni koncept termodinamike i jedan od

najvanijih aspekata inenjerske analize.Energija moe da se skladiti u okviru sistema u razliitimmakroskopskim oblicima: kinetika, gravitaciona potencijalnai unutranja energija.

Ona moe da se transformie iz jednog oblika u drugi iprenosi izmeu sistema.

Kod zatvorenih sistema, energija se moe preneti radom i

prenosom toplote.Ukupan iznos energije se odrava u svim transformacijama iprenosima.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

49/62

...

U termodinamici termin rad oznaava sredstva za prenos

energije.Rad je efekat jednog sistema na drugi koji se identifikuje i

meri na sledei nain: sistem je izvrio rad na svom okruenju ako bijedini efekat na sve izvan sistema mogao biti podizanje tereta.

U termodinamici se pod pojmom radaA podrazumeva svaki oblik energijekoji se na graninoj povrini termodinamikog sistema moe pretvoriti umehaniku energiju (npr. promena visine nekog predmeta (tereta)).

Termodinami

kom definicijom rada se istovremeno tvrdi da se rad moe upotpunosti pretvoriti u mehaniku energiju i obrnuto.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

50/62

...

Kada se u termodinamikom sistemu obavlja rad praen razmenomelektrine, hemijske, magnetske energije, rad nasuprot sili povrinskog

napona na granici dve faze itd., tada se promene ovih energijaizjednaavaju sa promenom potencijalne energije.

Rad koji je izvrio sistem smatra se pozitivnim. Rad koji se izvri na

sistemu smatra se negativnim.

Brzina izvravanja rada je snaga i po konvenciji slae se po znaku saradom.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

51/62

...

Opteprihvaena prirodna istina je da je energija neunitiva,to je i formulisano kroz Zakon odranja energije koji glasi:Energija svemira je konstantna.

Zakon odranja energije primenjen na procese u kojima se

izmeu sistema i okoline razmenjuje toplota Q i radApredstavlja Prvi zakon termodinamike. Analitiki izraz ovogzakona dat je sledeom jednainom:

Q U A

8/11/2019 PEE_2b_2k12

52/62

...

odakle sledi formulacija Prvog zakona termodinamike:

Ukupna energija sistema i okruujue okoline jekonstantna, mada energija moe da prelazi iz jednogoblika u drugi

(nije mogu perpetuum mobile prve vrste, tj. stvaranjeenergije ni iz ega).

* Toplota Qje oblik energije koji se razmenjuje samo zbog razliketemperatura sistema i okoline

8/11/2019 PEE_2b_2k12

53/62

...

Mnogo ee se sree sledei oblik jednaine:

U = Q - A

iz koje sledi da jepromena unutranje energije termodinamikog sistema (U)jednaka

koliini toplote koja se razmeni sa okolinom (Q)umanjena za

koliinu rada (A).

8/11/2019 PEE_2b_2k12

54/62

...

Sa slike se moe videti usvojeni nain obeleavanja veliina Q iA, sobzirom da u literaturi znaci ovih veliina nisu usaglaeni.

Dakle, kada se sistemu dovodi toplota iz okoline i kad sistem vri radpredznak ovih veliina je "+", a kada se sistemu oduzima toplota ili sistemprima rad predznak je "-". Odavde sledi da dodata toplota sistemu ili rad

izvren na sistemu poveava unutranju energiju, tako da jeU > 0.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

55/62

Prvi zakon termodinamike nam govori o koliini energije, o tomekoliko energije ima, i koje vrste energije postoje.

Upravo je ovo zakon iz kojeg proizilaze iskustva i saznanja koja namomoguavaju da se bavimo sa veliinama kao to su toplotni kapacitet irazliite energetske jedinice. Ukratko reeno, te veliine nam

omoguavaju da proraunamo koliko energije postoji, koliko energije namstoji na raspolaganju u obliku uglja, elektrine energije, solarne energije,itd. Moemo i brojano prikazati sa koliko energije radimo, te otuda dolazii sam naziv ovog zakona zakon koliine (kvantiteta) energije.

Upravo ovaj zakon koristimo kada uspostavljamo razne vrsteenergetskih obrauna, energetskih bilansa ili dijagrama energetskihtokova.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

56/62

...

S obzirom da se prema ovom zakonu energija ne moe istroiti,nepravilno je govoriti o potronji energije.Moe se potroiti samo jedan

oblik energije, prilikom njegove transformacije u neki drugi oblik, kojiponekad za nas moe biti beskoristan ili ak i tetan.

Zakon koliine energije nam govori da energija ne nestaje ona se samo

transformie iz jednog oblika u drugi. Kada bi ovaj zakon uzeo u obzir sveosobine energije, dao bi nam i jednostavno reenje problema nedostatkaenergije u budunosti: reciklau energije koja bi nam omoguila da seenergija uvek transformie u oblik koji nam je potreban!

Drugi zakon energije e nam objasniti zato stvari nisu ba takojednostavne.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

57/62

Drugi zakon termodinamike

Zato se automobil kree? Jedan deo hemijske energije, koju sadrigorivo kojim se pogoni motor automobila, pretvara se u kinetiku energiju

koja se koristi za pokretanje automobila. To nazivamo korisnomenergijom ili radom, tj. eksergijom. Preostali deo energije (setite sezakona koliine energije) se zatim prenosi u okolinu i transformie utoplotnu energiju. Taj deo energije nazivamo neiskoristivom energijom ili

anergijom.

Ovaj pojednostavljeni primer benzinskog motora ilustruje jo jednu drugukarakteristiku energije, a to je da se pri svakom prelasku energije iz

jednog oblika u drugi moe iskoristiti samo jedan njen odreeni deo,dok se ostatak beskorisno gubi i prelazi u atmosferu u vidu toplotneenergije.

Veliina korisnog dela energije moe biti jako razliita, u zavisnosti od

oblika energije i kori

ene tehnologije.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

58/62

Toplotne maine pretvaraju toplotnu energiju u oblike energije koji sunam potrebni na primer u mehaniku ili elektrinu. Jedan od primera

takvih maina je benzinski motor. Da bi toplotna maina funkcionisala,mora da sadrava i toplu i hladnu komponentu. Temperaturna razlikaizmeu tople i hladne komponente je onaj parametar kojideliminoodreuje koliko se iskoristive energije od te maine moe dobiti. to je

temperaturna razlika vea, vea je koliina iskoristive energije.

Za nas kao korisnike nisu svi oblici energije jednako iskoristivi niti jednakovredni, jer imaju razliit energetski kvalitet. to je kvalitet nekog oblika

energije vii, znai da se vei deo tog oblika energije moe iskoristiti zaproizvodnju korisnog rada. Stoga se moe rei da je kvalitet energijemera za koliinu energije koja nam je dostupna.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

59/62

S obzirom na njihov kvalitet, razne oblike energije delimo na sledeekategorije:

Energija odlinog kvaliteta:Primeri: potencijalna energija, kinetika energija, elektrina energija

Energija visokog kvaliteta:Primeri: nuklearna energija, hemijska energija, toplotna energija visoke

temperature (vee od 100 stepeni Celzijusa).

Energija niskog kvaliteta:Primer: toplotna energija niske temperature (manje od 100 stepeni Celzijusa).

8/11/2019 PEE_2b_2k12

60/62

Uzmimo kao primer dve vrste energije u jednakoj koliini od po 1kWh,jednu u obliku elektrine energije i drugu u obliku toplotne energije sa

temperaturom malo viom od sobne. Meutim, one se meusobnoznaajno razlikuju, jer imaju razliit energetski kvalitet.

Ta osobina energije o kojoj ovde govorimo, moe se opisati definicijom da

se energija visokog kvaliteta moe transformisati u energiju niegkvaliteta uz odreeni gubitak dok je obrnuta transformacija na istinain nemogua. Naravno, energija visokog kvaliteta se moetransformisati u energiju odlinog kvaliteta, kao na primer pri pretvaranju

hemijske energije u elektrinu energiju, koje se vri u termoelektranama.Meutim, uvek je rezultat ovog procesa transformacija najveeg delaprvobitne koliine energije u energiju nieg kvaliteta, pri emu dolazi dogubitka toplote.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

61/62

O ovoj osnovnoj osobini energije govori drugi zakon termodinamike,koji glasi:

Nije mogue napraviti mainu koja moe u potpunosti transformisatidatu koliinu toplotne energije u koristan rad.

Ili:

Kada se odreena koliina energije transformie, njen kvalitet sesmanjuje.

Drugi zakon termodinamike razmatra na koji nain se kvalitet energijesmanjujekada odreena koliina energije menja oblik, te ga zato

nazivamo zakonom kvaliteta energije.

8/11/2019 PEE_2b_2k12

62/62

Koriena literatura:Kurs opte fizike, Fri S.E., Timoreva A. V.

Transfer toplote, http://www.beodom.com/sr/education/entries/principles-of-thermal-insulation-heat-transfer-via-conduction-convection-and-radiation

S. R. Turns, Thermodynamics: Concepts and Applications, Cambridge University Press, 2006.

M. J. Moran, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Wiley , 2007.

Fizika i koloidna hemija. Predavanje 10,http://www.rgf.rs/predmet/RO/V%20semestar/Fizicka%20i%20koloidna%20hemija/Predavanja/FIKHPredavanje10.pdf

ENERGY & ENVIRONMENT , http://www.spareworld.org/eng/node/52

* Materijal pripremljen za korienje u nekomercijalne obrazovne svrhe u skladu salanom 44. Zakona o autorskim i srodnim pravima - ("Sl. glasnik RS", br. 104/2009 i 99/2011)