biofizika - biolozi · pdf filetermodinamika drugi princip termodinamike defini se smer...
TRANSCRIPT
BIOFIZIKATERMO-FIZIKA
Akademik, prof. dr Jovan P. Setraj ci c
Univerzitet u Novom Sadu
Departman za fiziku PMF
Powered by LATEX 2ε! – p. 1/17
Termika
FENOMENOLOŠKA TEORIJA
stanja sistema velikog broja cestica
parametri stanja:
pritisak, zapremina, temperatura, ...
Temperatura
stepen zagrejanosti
termicka ravnoteža i smer toplotne razmene
t0 = 0 [◦C] T0 = 273, 15 [K]
t = 100 [◦C] T = 373, 15 [K]T [K] = 273 + t [◦C]
1 – p. 2/17
Termika
ZAGREVANJE I HLA-DENJE TELA
zagrevanjem − linearno širenje tela
V = V0(1 + γt)
hlad—enjem − obrnuto
TERMOREGULACIJA
TERMOVIZIJA
temperatura ⇔ boja
I
m
m
I
ll0
1 – p. 3/17
Termika
Idealan gasmolekuli su bezdimenzione loptice − zauzimaju ceo sudizmed—u sebe ne interagujuudari molekula o zidove suda su apsolutno elasticni.
Pritisak p = n0kBT , kB = 1, 38 · 10−23J
K
Daltonov zakon p =N
∑
i=1
pi,
Avogadrov zakon 1 mol bilo koje supstancije sadrži isti− Avogadrov broj jedinki (molekula, atoma i/ili jona):
NA = 6, 022 · 1023 [mol−1]
− Molska zapremina: V0 = 22, 41
[
ℓ
mol
]
1 – p. 4/17
Termika
Gasni zakoniParametri gasnog stanja id. gasova:
p , V , T , m
Bojl-Mariotov zakon :(m = const i T = const)
p V = const
− izotermski procesi
Gej Lisakov zakon
(m = const i p = const)V
T= const ili
V = V0 (1 + α t [◦C])
− izobarski procesi
p
V0
1
2
T= const
T < T1 2
V
t0
1
2
p= const
p < p1 2
V0
1 – p. 5/17
Termika
Gasni zakoni
Sarlov zakon :(m = const i V = const)
p
T= const ili
p = p0 (1 + α t [◦C])
− izohorski procesi
KLAPEJRONOVA JEDNA CINA:
Jednacina stanja idealnog gasa − gasni procesi
p V = nR T
R ≡ kBNA = 8, 31J
mol K; n =
m
M
p
p
t0
1
2
V=const
V < V1
0
2
1 – p. 6/17
Termika
Prenos toplote
Provodenje :dQ
dt= −λS
dT
dx, Q = −λS t
∆T
∆x
Strujanje :dQ
dt= −hS ∆T
Zracenje :dQ
dt= −σ S T 4
1 – p. 7/17
Termika
Prenos toplote
Provodenje :dQ
dt= −λS
dT
dx, Q = −λS t
∆T
∆x
Strujanje :dQ
dt= −hS ∆T
Zracenje :dQ
dt= −σ S T 4
DifuzijaSlobodna difuzija − Fikov zakon: Φ ≡
dm
dt= −D S
dC
dx
Kroz membranu : ϕ ≡dΦ
dS= −αD β S
dC
dx≃ −Kp∆C
Osmoza : difuzija rastvaraca kroz membranuusled razlike u hem. potencijalima
1 – p. 7/17
Termodinamika
Energije molekulskog kretanja
Srednja kineti cka energija molekula : ε =i
2kB T
Unutra snja energija : U =i
2nR T
Koli cina toplote − razmenjena energija
1 – p. 8/17
Termodinamika
Energije molekulskog kretanja
Srednja kineti cka energija molekula : ε =i
2kB T
Unutra snja energija : U =i
2nR T
Koli cina toplote − razmenjena energija
Prvi princip termodinamike dQ = d′U + dA
promena un.energije d′U = nCVdT
rad sistema dA = p dV
1 – p. 8/17
Termodinamika
Adijabatski procesi
Poasonova jedna cina :
p V κ = const
κ =Cp
CV=
i + 2
i> 1
Entropija : S =Q
Tmera je neured—enosti sistema:
S = kB lnW
adijabatski procesi su IZOENTROPIJSKI:
S = const
p
V0
izoterma
adijabata
1 – p. 9/17
Termodinamika
Rad gasa A =
V2∫
V1
p dV
GASNI PROCESI
izohorski A = 0 , V = const
izobarski A = p (V2 − V1) ≡ nR (T2 − T1)
izotermski A = nR T lnV2
V1
≡ nR T lnp1
p2
adijabatski A = nCV (T1 − T2)
1 – p. 10/17
Termodinamika
Kruzni proces
direktan (a): Au = A12 + A21 ≡ A > 0
inverzan ili obrnut (b): A < 0
p(a)
V0
1
2
A > 0
p(b)
V0
1
2
A < 0
1 – p. 11/17
Termodinamika
Termodinami cki procesi
povratan ili reverzibilan : direktan + obrnut => pocetak
nepovratan ili ireverzibilan : disipacija (rasipanje) energije
T >T1 2
T <T2 1
A
Q1
Q2
TOPLOTNA
MASINA
T1
T2
A
Q1
Q2
RASHLADNA
MASINA
1 – p. 12/17
Termodinamika
Koeficijent korisnog dejstva
η =A
Q1=
Q1 − Q2
Q1= 1 −
Q2
Q1
Kruzni TD ciklus
Karnoov ciklus η =T1 − T2
T1
= 1 −T2
T1
p
V0
1
2
Q1
Q2
A
p
V0
1
4
2
3
T1
Q1
T2
Q2
1 – p. 13/17
Termodinamika
PROMENA ENTROPIJE
povratni procesi : ∆S = 0
nepovratni procesi : ∆S > 0
Klauziusova nejednakost : ∆S ≥ 0
1 – p. 14/17
Termodinamika
PROMENA ENTROPIJE
∆S = S1 − S2 =
2∫
1
dQ
T≡
2∫
1
dU + dA
T
povratni procesi : ∆S = 0
nepovratni procesi : ∆S > 0
Klauziusova nejednakost : ∆S ≥ 0
1 – p. 14/17
Termodinamika
PROMENA ENTROPIJE
∆S = S1 − S2 =
2∫
1
dQ
T≡
2∫
1
dU + dA
T
povratni procesi : ∆S = 0
nepovratni procesi : ∆S > 0
Klauziusova nejednakost : ∆S ≥ 0
PRINCIP PORASTA ENTROPIJE
Svi procesi u zatvorenom TD sistemu vode pove canju njegove
entropije, tj. oni vode sistem iz manje verovatnih stanja ka
verovatnijim.
Ravnotezno TD stanje ima najve cu verovatno cu, najve cu entropiju i to
je najneuredenije stanje! .
1 – p. 14/17
Termodinamika
Drugi princip termodinamikedefini se smer odvijanja TD procesa, u skladu sa principom porasta S:
Nemogu c je kruzni TD ciklus kod koga se sva toplota od greja ca
pretvara samo u rad
Nemogu c je kruzni TD ciklus kod koga se predaja toplote vr si od
hladnijeg ka toplijem telu
1 – p. 15/17
Termodinamika
Drugi princip termodinamikedefini se smer odvijanja TD procesa, u skladu sa principom porasta S:
Nemogu c je kruzni TD ciklus kod koga se sva toplota od greja ca
pretvara samo u rad
Nemogu c je kruzni TD ciklus kod koga se predaja toplote vr si od
hladnijeg ka toplijem telu
Treci princip termodinamikeU svakom TD sistemu na apsolutnoj nuli entropija sistema jed naka je
nuli: limT→0
S = 0 ili S|T=0
= 0
1 – p. 15/17
Termodinamika
Promena agregatnih stanja
TECNOSTI
isparavaju,
tj. klju caju
ocvr scavaju
CVRSTA
se tope
sublimiraju
GASOVI
kondenzuju
(sublimiraju)
TECNOST
C V R S T O
G A S
TO
PL
JE
NJ
E
OC
VR
SC
AV
AN
JE
ISP
AR
AV
AN
JE
S U
B L
I M
A C
I J
AKO
ND
EN
ZO
VA
NJ
E
1 – p. 16/17
Termodinamika
Fazni prelazi
T0
p
TECNOST
G A S
CVRSTO
TOPLJENJE
T
KT
KS
KK
K
KONDENZOVANJE
SUBLIMACIJA
OCVRSCAVANJE
KLJUCANJE
T
Q
Tt
TECNOSTCVRSTO TOPLJENJE
OCVRSCAVANJE
1 – p. 17/17