Kap Termisk fysikk (varmelære, termodynamikk)

Transkript

1 TFY4115 Fysikk Mekanikk: (kap.ref Young & Freedman) SI-systemet (kap. 1); Kinematikk (kap. 2+3). (Rekapitulasjon) Newtons lover (kap. 4+5) Arbeid og energi (kap. 6+7) Bevegelsesmengde, kollisjoner (kap. 8) Rotasjon, spinn (kap. 9+10) Statisk likevekt (kap. 11) Svingninger (kap. 14) Termisk fysikk: Def. temperatur og varme. 1. hovedsetning. (kap ) Kinetisk gassteori, tilstandslikninger (kap. 18) Faseoverganger (smelte, fordampe) (kap ) Termodynamikkens 2. lov (kap. 20) Varmetransport (kap )

2 Kap Termisk fysikk (varmelære, termodynamikk) Hva er temperatur og hva er varme? Måling av temperatur. Ideell gasslov Termisk utvidelse: Fast stoff, væske, gass Varmekapasitet, c p, c V 0., 1. og 2. hovedsetning. Entropi Smelting, koking (faseoverganger) Varmetransport: Varmeledning, konveksjon, stråling.

3 Kap. 17 Introduksjon C C 50 0 C 50 0 C 50 0 C 50 0 C x C 0 0 C Ingen har observert varme strømme fra kaldt til varmt legeme => Termodynamikkens 2. hovedsetning (én formulering)

4 Termisk fysikk består av: 1. Termodynamikk: (= varmens kraft ) Makroskopiske likevektslover ( slik vi ser det ) Temperatur. 1. og 2. hovedsetning 2. Kinetisk gassteori: Mikroskopisk lover, mekanikkens lover til punkt og prikke. Maxwells hastighetsfordeling. 3. Varmetransport: Ledning, konveksjon, stråling.

5 Kap. 17 Introduksjon. Historie Daniel Fahrenheit 1724 Anders Celsius 1742 William Thomson Kelvin 1848 Sadi Carnot James Joule Rudolf Clausius Robert Brown 1827 Ludwig Boltzmann 1900 Albert Einstein 1905 Max Planck 1900 Temp.skalaer Utviklet termodynamikken på 1800-tallet (1. og 2. lov, varmekraftmaskin) Kinetisk gassteori, varmestråling mm. rundt 1900

6 Termodynamikkens 0. hovedsetning Termisk likevekt: T A = T C og T B = T C (for eksempel C et termometer) => Termisk likevekt: T A = T B

7 Konstant-volum termometer (gasstermometer) =ρgh Ulike volum eller ulike termometre

8 Temperaturmålinger/skalaer: Galileo Galilei (italiensk) ( ) Daniel G. Fahrenheit (tysk) ( ) Anders Celsius (svensk) ( ) René-Antoine Ferchault de Réaumur (fransk) ( ) William JM Rankine (skotsk) ( ) William Thomson Kelvin (Sir William Thomson) (skotsk) ( )

9 Varme = Energi som strømmer fra varmt til kaldt legeme Varme ut tapper legemet for indre energi (U) --- og temperaturen synker 1. Hovedsetning = Energibevarelse: Varme (Q) inn øker indre energi (U) Arbeid (W) utført senker indre energi (U) ΔU = Q - W Q (+) U W (+) Kjemikere og noen fysikere bruker motsatt fortegn for W (bl.a. Lillestøl-Hunderi-Lien): ΔU = Q + W Q (+) U (+) W

10 Arbeid ved volumendring: W = p ΔV der p = F/A p F ytre F=pA Infinitesimalt: Integrert: dw = pdv W = pdv Kraft på stempel fra gasstrykk p Ytre kraft på stempel F=pA F ytre = p ytre A Ved langsom bevegelse er det likevekt og p ytre = p

11 Tilstandsvariable (-funksjoner): Målbare størrelser for systemet Grunnleggende: p V T (andre: m N n U C V C p.. ) Termodynamisk likevekt: Alle variable konstant over tid og innen hele systemet. Tilstandslikning: Sammenheng mellom tilst.variable: f(p,t,v) = 0 Eks. ideell gass: pv Nk B T = 0 eller: p = p(t,v) V = V(T,p) T = T(V,p) id.gass: = Nk B T/V = Nk B T/p = pv/(nk B )

12 Tilstandsdiagram Eks.: Ideell gass: p = p(t,v) p = nrt/v T 6 T 4 T 5 T 6 > T 5 >.. > T 1 T 3 T 2 T 1

13 Ideell gass: p = nrt/v Isotermer Isokorer Isobarer Y&F Figure 18.27

14 Varmeutvidelseskoeffisienten: Væsker og gasser og faste stoff: β = 3 α β/k -1 3-dim (volum) : ΔV/V = β ΔT 1-dim (lineært) : Faste stoff α/k -1 Δl / l = α ΔT

15 Solslyng NSB Vinter: - 40 o C Sommer: +56 o C ΔT = 100 K Δl = α l ΔT = 10 cm for l = 100 m skinne Meråkerbanen 2014 Sverige Dovrebanen, Kvam

16 Varmekapasitet C = Varme opptatt per temp.stigning og per mol: => Q = C n ΔT = C m ΔT C C

17 Eks.1. Q, W og ΔU for isobarer og iskorer W ABC = 200 J + 0 J B V B = 3 l p B = 1 atm A V A = 1 l p A = 1 atm D V D = 1 l p D = 2 atm C V B = 3 l p B = 2 atm W ADC = 0 J J

18 C p D D A B D C A C B A B Y&F Figure 18.27

19 Oppsummering varmelære så langt: 0. Hovedsetning = Termisk likevekt: T A = T C og T B = T C T A = T B Q 1. Hovedsetning = Energibevarelse: ΔU = Q - W (endring indre energi) = (varme inn) (arbeid utført) U W W = p dv avhengig vegen: Ikke tilstandsfunksjon. Isokor: W = 0; Isobar: W = p ΔV; Isoterm: W = nrt lnv 2 /V 1 Q beregnes fra 1.H: Q = ΔU + W, eller Isokor: Q V = n C V ΔT; Isobar: Q p = n C p ΔT; Ikke tilst.funksjon 2. Hovedsetning = Mulige prosesser: Varme kan ikke strømme fra kaldt til varmt legeme. Mer seinere.