fizika 1i - fizipedia.bme.hu
TRANSCRIPT
![Page 1: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/1.jpg)
Fizika 1i
Hőtan 1
1
![Page 2: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/2.jpg)
differenciálegyenletek: mind gyakorlatilag, mind elméletileg
(Heisenberg) megoldhatatlan
Termodinamika
Korpuszkuláris elmélet:
a rendszerek szabad szemmel nem látható elemi részekből
tevődnek össze.
Mechanika törvényei
A termodinamika a mikroszkopikus mennyiségek
helyett makroszkopikus, statisztikus (átlagos)
mennyiségekkel dolgozik (pl. nyomás, belső
energia, hőmérséklet). 2
![Page 3: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/3.jpg)
Termodinamika
•a mechanikától, eltérően itt a folyamatok egyirányúak, nem
megfordíthatók.
•ez az első olyan leírás, amelyik egy fizikai rendszer
evolúciójával (fejlődés, haladás, természettudományos
materializmus, darwinizmus) számol.
•a hagyományos TD elsősorban energetikailag írja le egy
fizikai rendszer viselkedését.
•termodinamikai módszerekkel (statisztikus extenzív és
intenzív mennyiségek, entrópia) dolgoznak más
tudományágak is (pl. közgazdaságtan).
3
![Page 4: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/4.jpg)
4
Termodinamikai rendszer
A térnek jól definiálhatóan, képzelt vagy valós
határfelülettel elkülönített része.
Heterogén: ugrásszerűen változó makroszkopikus
tulajdonságok.
Pl. jég-víz rendszer
Fázis: a rendszer homogén kémiai összetételű és homogén vagy
inhomogén fizikai szerkezetű része.
Komponens: a rendszernek a kémiai tulajdonság alapján
megkülönböztethető része.
Homogén: makroszkopikus tulajdonságok minden
pontban azonosak.Inhomogén: egyes makroszkopikus tulajdonságok helyről
helyre változnak; eloszlásukat folytonos függvény írja le.
![Page 5: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/5.jpg)
5
A rendszer állapotától függő makroszkopikus jellemzőket
állapotjelzőknek (állapothatározóknak) nevezzük.
Az alap-állapot jelzők:
tömeg (anyagmennyiség) m (n)
térfogat V
nyomás (p)
hőmérséklet (T)
koncentráció (c)
Termodinamikai rendszer
Extenzív: függnek a rendszer kiterjedésétől és additívak :
tömeg (m), térfogat (V), belső energia (U),..
Intenzív: nem függenek a rendszer méretétől, és nem
additivak: hőmérséklet (T), nyomás (p), koncentráció ( c)
![Page 6: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/6.jpg)
6
A rendszer termodinamikai egyensúlyban van, ha az
állapothatározók egyike sem változik. Egyensúlyban nem
játszódnak le makroszkopikus folyamatok.
Nem egyensúlyi rendszer: állapothatározók az időben
változnak.
Reverzibilis változás: végállapotból ugyanazon közbülső
egyensúlyi állapotokon keresztül jut a rendszer a kezdeti
állapotba. Olyan folyamat, amelyet a változók
infinitezimális módosításával meg lehet fordítani.
A valóságos folyamatok mindig irreverzibilisek.
![Page 7: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/7.jpg)
Pl. egy gáz reverzibilis
összenyomása azt jelenti, hogy
a külső nyomás csak
észrevétlenül nagyobb, mint a
gáz nyomása, tehát a rendszer
és környezete között
mechanikai egyensúly van.
pk
p
gáz p = pk
A valóságos folyamatok sok esetben jól megközelítik a
reverzibilis határesetet.
Gyakran vizsgált folyamatok:
Izoterm ( t=áll. )
izobár (p =áll.)
izosztér, izochor (V = áll.)
adiabatikus (Q = 0)
7
![Page 8: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/8.jpg)
1737-ben tervezte meg a ma is általánosan használt
(100 fokos beosztású) hőmérsékletskálát, melynek azóta
is megőrizte nevét, sőt az egyik leggyakrabban elhangzó
névvé tette világszerte. Ötlete, amelyet 1742-ben
ismertetett a Svéd Akadémián tartott előadásában,
leegyszerűsítette a hőmérsékletmérést, és a kapcsolódó
számításokat.
Celsius azonban a forráspontot jelölte 0-val, s a
fagyáspontot 100-al, a két számot 1750-ben Stromer
svéd tudós cserélte fel.
Andres Celsius (1701-1744)
Hőmérséklet
8
![Page 9: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/9.jpg)
KÜLÖNBÖZŐ HŐFOKSKÁLÁK
ÖSSZEHASONLÍTÁSA
0
100
Fahrenheit
Réaumur
Celsius
80212
32 0 273,15
373,15
01.
491,67
671,67
0
Kelvin1 K = 1 Co
Rankine1 Ro =1 Fo
2.
3.
Abszolút
hőmérsékletskálák
Alappont
Alappont
Alappont
9
![Page 10: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/10.jpg)
10
Hőtágulás
Szilárd testek:
Lineáris hőtágulás.
l=l0(1+αΔT) ΔT=T-T0
Térfogati hőtágulás
V=V0(1+βΔT) ΔT=T-T0
![Page 11: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/11.jpg)
11
![Page 12: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/12.jpg)
12
![Page 13: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/13.jpg)
Folyadékok termodinamikája.
Térfogati hőtágulás.
V=V0(1+βΔT) ΔT=T-T0
β a térfogati hőmérsékleti együttható,
β=3 α
13
![Page 14: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/14.jpg)
14
víz jég
Víz térfogatváltozása
![Page 15: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/15.jpg)
15
Hőmennyiség
a testek hőmérséklet változásához szükséges energia.
Jele: Qmértékegysége: J (joule)
Q=CnΔT=cmΔT
ahol C [J/molK] a molhő, c [J/kgK] a fajhő.
Energiatranszport, amelyet a hőmérséklet-eloszlás
inhomogenitása hoz létre
Hőátmenettel járó folyamatok: melegítés, hűtés
fázisátalakulás
kémiai reakció
![Page 16: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/16.jpg)
Nyomás
p = F/A (nyomóerő/felület)
Egysége: Pascal (N/m2)
1 bar = 105 Pa
1 atm = 1,013 105 Pa
1 torr = 1 Hgmm: 1 mm magas higanyoszlop
hidrosztatikai nyomása (p = r g h)
Gázokban a nyomás a molekulák által szállított impulzus
áramsűrűsége.
Erő: dt
mvdF
)(
16
![Page 17: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/17.jpg)
17
Belső energia U:
a rendszert felépítő részecskék kinetikus és potenciális
energiájának az összege.
Nem foglalja magában az egész rendszernek, mint
makroszkopikus testnek a kinetikus és potenciális
energiáját.
a belső energia abszolút értékét nem tudjuk
pontosan megadni, csak a változását: U.
![Page 18: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/18.jpg)
A mechanikai munka az erő és az elmozdulás skalárszorzata:
dlFW
Termodinamikában a legtöbbet a térfogati munkával találkozunk.
p
pk Fdl
2
1
V
V
kterf
kterf
k
dVpW
dVpW
dlApdlFW
A munka
![Page 19: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/19.jpg)
I. főtétel: Energia-megmaradás törvénye
Elszigetelt rendszer: U = 0
Zárt rendszer: U = W + Q
0. főtétel: Izolált rendszer egyensúlyi állapot felé tart,
a kialakuló egyensúly stabil
![Page 20: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/20.jpg)
Állapotegyenlet: az egyensúlyban levő rendszer
állapotfüggvényei között teremt kapcsolatot.
Pl. ideális gáz R = 8,314 Jmol –1 K-1
állapotegyenlete: V m3
pV = nRT T K
p Pa
n mol
Valóságos anyagok állapotegyenletei empirikus függvények
( hatványsor, diagram, táblázat formájában).
Gázok termodinamikája
Ideális gáz: • nincs saját alakja, • kitölti a rendelkezésre álló teret,•kölcsönhatás a részecskék között csak ütközéskor
20
![Page 21: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/21.jpg)
Az állapotegyenlet ábrázolása háromdimenziós
koordinátarendszerben: állapotfelület
f (p, V, T, n) = 0
21
![Page 22: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/22.jpg)
Tökéletes gázok állapotváltozásai
(izobár, izochor, izoterm)
Reverzibilis állapotváltozásokat tárgyaljuk.
p
V
1 2
3
4
1 -2: izobár
3 - 4: izochor
2 - 3: izoterm
![Page 23: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/23.jpg)
Entalpia-változás:
Izochor állapotváltozás (V=állandó)
Térfogati munka:
Hő (belsőenergia-változás):
dTCnUQ
T
T
mvv 2
1
W = 0
2
1
2
1
2
1
T
T
mp
T
T
T
T
mv dTCndTRCndTnRUpVUH
![Page 24: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/24.jpg)
Belsőenergia-változás:
dTCndTRCndTCndTnRQWU
T
T
mv
T
T
mp
T
T
T
T
mp 2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1212
V
V
TTnRVVpdVppdVW
Izobár állapotváltozás (p állandó)
Térfogati munka:
Hő (entalpia-változás):
dTCnHQ
T
T
mpp 2
1
![Page 25: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/25.jpg)
Izoterm állapotváltozás (T állandó)
2
1
V
V
pdVW
Térfogati munka:
V
nRTp
2
1
1
2 lnln2
1V
VnRT
V
VnRT
V
dVnRTW
V
V
Boyle-Mariotte törvény:2211 VpVp
1
2
2
1 lnlnp
pnRT
p
pnRTW
U = 0 Q = -W H = 0
1
2lnp
pnRTWQ
![Page 26: Fizika 1i - fizipedia.bme.hu](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042107/6256bc7c58425932dc4c015c/html5/thumbnails/26.jpg)
26
Q = 0, U = W
Adiabatikus folyamatban mindhárom állapotjelző
(p, T, V) változik.
Adiabatikus állapotváltozás (Q = 0)
állandóTV 1 v
p
C
C