Základy rovnovážné termodynamiky
description
Transcript of Základy rovnovážné termodynamiky
![Page 1: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/1.jpg)
Základy Základy rovnovážnérovnovážné
termodynamikytermodynamikyJitka ProkšováJitka Prokšová
KOF FPEKOF FPE
![Page 2: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/2.jpg)
Roztažnost látekRoztažnost látek
délková a objemová roztažnost délková a objemová roztažnost pevných látekpevných látekobjemováobjemová roztažnost kapalinroztažnost kapalinobjemováobjemová roztažnost a roztažnost a rozpínavost plynůrozpínavost plynů
příkladypříklady
![Page 3: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/3.jpg)
Celsiova stupniceCelsiova stupnice
Anders Celsius ( 1701–1744)Anders Celsius ( 1701–1744)
základní body:základní body:
bod mrazubod mrazu
bod varu vodybod varu vody
(za normálního tlaku)(za normálního tlaku)
0 C
100 C
![Page 4: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/4.jpg)
Kelvinova stupniceKelvinova stupnice
William Thomson ( 1824–1907),William Thomson ( 1824–1907),
od r. 1892 lord Kelvinod r. 1892 lord Kelvin
základní body:základní body:
absolutní nulaabsolutní nula
trojný bod vodytrojný bod vody
0 K
273,16 K
![Page 5: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/5.jpg)
Fahrenheitova stupniceFahrenheitova stupnice
Daniel G. FahrenheitDaniel G. Fahrenheit
( 1686–1736),( 1686–1736),
3 základní body:3 základní body:
*teplota tání směsi ledu*teplota tání směsi ledu
a kuchyňské solia kuchyňské soli
*teplota tání ledu*teplota tání ledu
*teplota zdravého lidského těla*teplota zdravého lidského těla
0 F32 F
96 F
![Page 6: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/6.jpg)
Srovnání teplotních stupnicSrovnání teplotních stupnic
0
0
K K C
K 273,15
T T t
T
9F C 32
5FT t
![Page 7: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/7.jpg)
Měření teplotyMěření teploty
KlementinumKlementinum
(od r. 1775)(od r. 1775)
teplotní rekordyteplotní rekordy
záznam teploty více záznam teploty více
než dvě stoletínež dvě století
ve stejný čas ve stejný čas
![Page 8: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/8.jpg)
TeploměryTeploměry
![Page 9: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/9.jpg)
KalorimetrieKalorimetrie
tepelná kapacitatepelná kapacita
měrná tepelná kapacitaměrná tepelná kapacita
molární tepelná kapacitamolární tepelná kapacita
příkladypříklady
![Page 10: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/10.jpg)
SystémySystémy
![Page 11: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/11.jpg)
uzavřený systém
otevřenýsystém
energie energie částice
![Page 12: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/12.jpg)
Rovnovážný stav Rovnovážný stav termodynamické soustavytermodynamické soustavy
Soustava, která je od určitého Soustava, která je od určitého okamžiku v neměnných vnějších okamžiku v neměnných vnějších podmínkách, přejde po jisté době podmínkách, přejde po jisté době samovolně do rovnovážného stavu. samovolně do rovnovážného stavu.
Setrvává v něm, dokud zůstanou tyto Setrvává v něm, dokud zůstanou tyto podmínky zachovány.podmínky zachovány.
![Page 13: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/13.jpg)
Stavová rovnice ideálního Stavová rovnice ideálního plynuplynu
pV nRT
tlak a objem plynutlak a objem plynu
látkové množstvílátkové množství
univerzální plynová konstantauniverzální plynová konstanta
termodynamická teplotatermodynamická teplota
![Page 14: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/14.jpg)
První termodynamický zákonPrvní termodynamický zákon
teploteplovnitřní energievnitřní energieprácepráce
aplikaceaplikace
příklady (systémy)příklady (systémy)
![Page 15: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/15.jpg)
Formulace prvního Formulace prvního termodynamického zákonatermodynamického zákona
zákon zachování energiezákon zachování energie
Vnitřní energii soustavy lze zvýšit Vnitřní energii soustavy lze zvýšit dodáním tepla dodáním tepla QQ nebo dodáním práce nebo dodáním práce WW
(nebo obojím).(nebo obojím).
2 1U U U Q W
![Page 16: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/16.jpg)
Aplikace prvního Aplikace prvního termodynamického zákonatermodynamického zákona
děj:děj:
izochorickýizochorický
izobarickýizobarický
izotermickýizotermický
adiabatickýadiabatický
0 W W U Q
U Q W Q W
0 U Q W
0 Q U W W
![Page 17: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/17.jpg)
Formulace druhého Formulace druhého termodynamického zákonatermodynamického zákona
Rudolf Clausius (1822–1888),Rudolf Clausius (1822–1888),
1850:1850:
Je nemožné cyklickým procesem Je nemožné cyklickým procesem přenášet teplo z chladnějšího přenášet teplo z chladnějšího tělesa tělesa
na teplejší, aniž se přitom změní na teplejší, aniž se přitom změní jisté množství práce na teplo.jisté množství práce na teplo.
![Page 18: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/18.jpg)
William Thomson ( 1824–1907),William Thomson ( 1824–1907),
od r. 1892 lord Kelvinod r. 1892 lord Kelvin
1851:1851: Je nemožné cyklickýmJe nemožné cyklickým
procesem odnímat jednomuprocesem odnímat jednomu
tělesu teplo a měnit je tělesu teplo a měnit je
v kladnou práci, anižv kladnou práci, aniž
přitom přejde jisté přitom přejde jisté
množství tepla z tělesa množství tepla z tělesa
teplejšího na chladnější.teplejšího na chladnější.
![Page 19: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/19.jpg)
Max Planck (1858–1947),Max Planck (1858–1947),
1930:1930:
Je nemožné sestrojitJe nemožné sestrojit
periodicky pracující stroj, periodicky pracující stroj,
který by trvale vykonávalkterý by trvale vykonával
kladnou mechanickou prácikladnou mechanickou práci
pouze ochlazováním jednohopouze ochlazováním jednoho
tělesa, aniž přitom docházítělesa, aniž přitom dochází
k jiným změnám v ostatníchk jiným změnám v ostatních
tělesech.tělesech.
![Page 20: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/20.jpg)
Perpetuum mobile druhého Perpetuum mobile druhého druhudruhu
1W Q
1Q
W
![Page 21: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/21.jpg)
Princip tepelného strojePrincip tepelného stroje
![Page 22: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/22.jpg)
Účinnost tepelného strojeÚčinnost tepelného stroje
Sadi Carnot Sadi Carnot (1796(1796––1832)1832)
1824: dokázal, že 1824: dokázal, že
pro účinnost tepelnéhopro účinnost tepelného
stroje platí: stroje platí:
2 2
1 1 11 1
W Q T
Q Q T
![Page 23: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/23.jpg)
Carnotův cyklusCarnotův cyklus
Cc
![Page 24: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/24.jpg)
Tepelná čerpadlaTepelná čerpadla
Druhy, princip činnosti
![Page 25: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/25.jpg)
Od idealizace ke skutečným Od idealizace ke skutečným dějůmdějům
nevratnost - spojitost se nevratnost - spojitost se zavedením nové veličiny zavedením nové veličiny entropie,entropie,souvislost entropie a míry souvislost entropie a míry neuspořádanosti soustavy,neuspořádanosti soustavy,podle změny entropie v soustavě podle změny entropie v soustavě lze určit směr nevratného děje. lze určit směr nevratného děje.
![Page 26: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/26.jpg)
EntropieEntropie
Rudolf Clausius:entrópos = vnitřní změna
makroskopické hledisko:
k definici změny entropie využívá termodynamické teploty soustavy a tepla, které soustava během daného děje získá nebo ztratí.
k pQ
S S ST
![Page 27: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/27.jpg)
Aplikace pojmu entropieAplikace pojmu entropie
nerovnovážná termodynamikanerovnovážná termodynamikafyzika nízkých teplotfyzika nízkých teplotchemie (katalytické reakce)chemie (katalytické reakce)biologie (disipativní struktury)biologie (disipativní struktury)kosmologiekosmologieinformatikainformatikaekonomie ekonomie psychologiepsychologie
![Page 28: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/28.jpg)
Formulace druhého Formulace druhého termodynamického zákona termodynamického zákona
pomocí entropie:pomocí entropie:
Entropie izolované soustavy roste Entropie izolované soustavy roste při ději nevratném a zůstává stálá při ději nevratném a zůstává stálá při ději vratném. Entropie izolované při ději vratném. Entropie izolované soustavy nikdy neklesá. Platí tedy soustavy nikdy neklesá. Platí tedy
0 S
![Page 29: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/29.jpg)
Třetí termodynamický zákonTřetí termodynamický zákon
teploty v okolí 0Kteploty v okolí 0K
entropieentropie
tepelné koeficientytepelné koeficienty
aplikaceaplikace
![Page 30: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/30.jpg)
Walther Nernst (1864–1941)Walther Nernst (1864–1941)
1906:1906: Pro teplotu klesající k Pro teplotu klesající k absolutní nule probíhá absolutní nule probíhá
vratný izotermický vratný izotermický
děj bez změny entropie.děj bez změny entropie.
Při absolutní nule Při absolutní nule
splývá vratná izoterma splývá vratná izoterma
s adiabatou. s adiabatou.
![Page 31: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/31.jpg)
Některé metody získávání Některé metody získávání velmi nízkých teplotvelmi nízkých teplotkonec 19. stoletíkonec 19. století::
využití Joulova - Thomsonova jevu využití Joulova - Thomsonova jevu
ke zkapalňování plynů při teplotáchke zkapalňování plynů při teplotách
pod 100 K pod 100 K
![Page 32: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/32.jpg)
Heike Kamerlingh-Onnes Heike Kamerlingh-Onnes (1853–1926)(1853–1926)
zakladatel kryogenní laboratoře v Leidenu, zakladatel kryogenní laboratoře v Leidenu, zkapalnění He (1908)zkapalnění He (1908)
var kapalného He za sníženého tlaku (0,84 K)var kapalného He za sníženého tlaku (0,84 K)
1911: objev supravodivosti Hg (4,16 K)1911: objev supravodivosti Hg (4,16 K)
(NC 1913) (NC 1913)
![Page 33: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/33.jpg)
Základy kinetické Základy kinetické teorieteorieplynůplynů
![Page 34: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/34.jpg)
ModelModelnový pohled na plyn - statistický nový pohled na plyn - statistický
přístuppřístupAvogadrova konstantaAvogadrova konstantaobrovské soubory molekulobrovské soubory molekulstřední hodnoty makroskopických střední hodnoty makroskopických
veličinveličintransportní jevytransportní jevy
![Page 35: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/35.jpg)
Animace
Brownův pohybBrownův pohyb
![Page 36: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/36.jpg)
Kinetická teorie Kinetická teorie plynuplynu
Animace KTP
![Page 37: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/37.jpg)
Termodynamická Termodynamická pravděpodobnost a míra pravděpodobnost a míra
neuspořádanostineuspořádanosti
Ludwig BoltzmannLudwig Boltzmann
(1844–1906)(1844–1906)
Boltzmannův princip (1877): Boltzmannův princip (1877):
Entropie soustavy je funkcí Entropie soustavy je funkcí pravděpodobnosti stavu soustavy.pravděpodobnosti stavu soustavy.
lnS k W
![Page 38: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/38.jpg)
izolovaná nádobaizolovaná nádoba
mikrostav, makrostavmikrostav, makrostav
entropie: míra neuspořádanostientropie: míra neuspořádanosti
nejpravděpodobnější makrostav: nejpravděpodobnější makrostav: maximální počet mikrostavůmaximální počet mikrostavů
![Page 39: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/39.jpg)
Pravděpodobnost Pravděpodobnost
makrostavu:makrostavu:
Počet mikrostavů:Počet mikrostavů:
Ww
M
!
! !L P
NW
N N
![Page 40: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/40.jpg)
Pravděpodobnost Pravděpodobnost makrostavu:makrostavu:
Označení
makrostavu
(konfigurace)
Levá polovinanádoby
Pravá polovinanádoby
Počet
mikrostavů
W
Pravděpodo bnost
makrostavu
w = W/M
I abcd 1 0,0625
abc d
abd c
acd bII
bcd a
4 0,2500
ab cd
ac bd
ad bc
bc ad
bd ac
III
cd ab
6 0,3750
a bcd
b acd
c abdIV
d abc
4 0,2500
V abcd 1 0,0625
Celkový počet mikrostavů M 16
![Page 41: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/41.jpg)
![Page 42: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/42.jpg)
Tabulka T2
Počet molekul
N
Celkový počet
mikrostavů
Počet mikrostavů A
( 0 % )
Počet mikrostavů B
( 1% )
Poměr A/B
Počet mikrostavů C
( 10 % )
Poměr A/C
100 301,27 10 291,01 10 290,99 10 1,01 286,14 10 1,64
1 000 3011,07 10 2998,86 10 2998,43 10 1,05 2975,95 10 149
100 000 3010310 3010010 30 09810 210 29 88310 21710
1 000 000 301 03010 301 02610 301 00510 2110 298 85110 217510
![Page 43: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/43.jpg)
Transportní jevyTransportní jevystřední volná dráhastřední volná dráha
tepelná vodivosttepelná vodivostviskozitaviskozitadifúzedifúze
![Page 44: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/44.jpg)
Ideální plyn versus reálný plynIdeální plyn versus reálný plyn
Van der Van der Waalsova Waalsova rovnicerovnice
víceparametrové víceparametrové rovnicerovnice
RTbVV
ap m
m
2
![Page 45: Základy rovnovážné termodynamiky](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062322/568147b3550346895db4f76b/html5/thumbnails/45.jpg)
Termodynamické zákony podle Termodynamické zákony podle MurphyhoMurphyho
Ve “hře” nemůžete nikdy vyhrát. Ve “hře” nemůžete nikdy vyhrát. V nejlepším případě dosáhnete V nejlepším případě dosáhnete pouze nerozhodného výsledku.pouze nerozhodného výsledku.
Nerozhodného výsledku můžete Nerozhodného výsledku můžete dosáhnout pouze při teplotě 0 K.dosáhnout pouze při teplotě 0 K.
Teploty 0 K nemůžete nikdy Teploty 0 K nemůžete nikdy dosáhnout.dosáhnout.