termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – clausius (1850) • je nemožné získat ze...
TRANSCRIPT
![Page 1: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/1.jpg)
Termodynamick é zákony
![Page 2: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/2.jpg)
MakroskopickMakroskopickáá prprááce ce termodynamicktermodynamickéé soustavysoustavy
• Již jsme uvedli, že změna vnitřní energie soustavy je obecně vyvolána dvěma ději: tepelnou výměnou mezi soustavou a okolím a konáním práce
• Práci proti vnějším silám koná termodynamickásoustava tím, že zvětšuje svůj objem.
![Page 3: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/3.jpg)
MakroskopickMakroskopickáá prprááce ce termodynamicktermodynamickéé soustavysoustavy
• Prací plynu tedy rozumíme mechanickou práci, spojenou s objemovou změnou soustavy
![Page 4: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/4.jpg)
PrvnPrvníí termodynamický ztermodynamický záákonkon
• Uvažujme soustavu, která je ve stavu termodynamickérovnováhy. Soustava má určitou vnitřní energii U. Soustavě dodáme teplo Q (tepelnou výměnou) a vnějšísíly na ní vykonají práci W.
• Z principu zachování energie platí
• 1. Termodynamický zákon – Přírůstek vnitřní energie soustavy se rovná součtu práce W vykonané okolními tělesy působícími na soustavu silami a tepla Q odevzdaného okolními tělesy soustavě.
![Page 5: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/5.jpg)
PrvnPrvníí termodynamický ztermodynamický záákonkon
• Uvážíme-li též, že platí:
pak můžeme 1. TZ psát ve tvaru:
![Page 6: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/6.jpg)
ZZáávvěěry z 1. termodynamickry z 1. termodynamickéého ho zzáákonakona
• Je-li soustava izolovaná , je Q = 0, W = 0 platí U1 = U2 . Vnitřní energie konstantní bez ohledu na to, zda v níprobíhají jakékoli děje (mechanické, tepelné či jiné)
• Je-li soustava adiabaticky izolovaná , je Q = 0,W’ = -∆U. Soustava koná adiabaticky práci na úkor své vnitřníenergie
• Soustava, u níž nastává pouze tepelná výměna s okolím, nepracuje. Veškeré dodané (odebrané) teplo se projeví jako vzrůst (pokles) vnitřní energie soustavy
![Page 7: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/7.jpg)
ZZáávvěěryry z 1. termodynamickz 1. termodynamickéého ho zzáákonakona
• Koná-li soustava kruhový d ěj, vrací se do stavu, z něhož vyšla. Proto ∆U = 0 a Q = W'. Při kruhovém ději zůstává vnitřní energie konstantní a teplo přijatésoustavou je rovno práci, kterou soustava vykoná
• První termodynamický zákon, který vyjadřuje princip zachování energie, se někdy formuluje v tom smyslu, že nelze sestrojit periodicky pracující stroj, tzv. „perpetuum mobile prvního druhu ", který by konal práci bez změny své energie a bez tepelné výměny s okolím
![Page 8: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/8.jpg)
TepelnTepelnáá kapacitakapacita• Tepelná kapacita tělesa závisí na jeho hmotnosti,
chemickém složení, vnitřní stavbě a na podmínkách, za jakých těleso teplo přijímá.
• Je to veličina, která udává pro dané těleso, jaké teplo je třeba tělesu dodat, abychom zvýšili jeho teplotu o 1K. Jednotkou tepelné kapacity je J·K-1
• Tepelné kapacity se obecně liší, probíhá-li tepelnávýměna za konstantního tlaku nebo objemu.
• Tepelnou kapacitu C definujeme vztahem:
![Page 9: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/9.jpg)
TepelnTepelnáá kapacitakapacita• Pro teplo dodané tělesu můžeme podle 1. TZ psát:
• Pro izochorický děj platí:
• Pro izobarický děj platí:
![Page 10: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/10.jpg)
MMěěrnrnáá tepelntepelnáá kapacitakapacita
• Pro ideální plyn platí:
• Z experimentů vyplývá, že tepelná kapacita je úměrnáhmotnosti a proto se zavádí tzv. měrná tepelnákapacita [J · kg-1 · K-1]:
• Nejvyšší hodnotu z kapalin má voda (4,182 kJ · kg-1 · K-1
při 20 °C). Z plynů má největší kapacitu za tlaku 0,1 MPavodík (14,32 kJ · kg-1 · K-1 při 20 °C)
![Page 11: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/11.jpg)
MMěěrnrnáá tepelntepelnáá kapacitakapacita
• U pevných a kapalných látek se často nerozlišuje mezi cp a cv, označujeme ji c ≈ cp. Pro plyny je rozdíl znatelnější
• Mayerův vztah:
• Poissonova konstanta:
![Page 12: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/12.jpg)
KalorimetrickKalorimetrickáá rovnicerovnice
• Pokud ještě započítáváme do soustavy kalorimetr, pak předchozí rovnice má tvar
• Měrná tepelná kapacita není pro látku daného skupenství konstantou, ale závisí na teplotě. V praxi se používá střední měrná tepelná kapacita:
![Page 13: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/13.jpg)
Kalorimetr Kalorimetr ((smsměěššovacovacíí))• Směšovací kalorimetr, je určen k měření měrných
tepelných kapacit pevných látek a kapalných látek. Skládá se z tepelně izolované nádoby uzavřené víkem, jímž prochází teploměr a míchačka
![Page 14: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/14.jpg)
Aplikace 1. TZ na ideAplikace 1. TZ na ideáálnlníí plynplyn
• Izochorický d ěj (V = konst.) – Charlesův zákon
• Izobarický d ěj (p = konst.) – Gay-Lussacův zákon
• Při izochorickém ději plyn nekoná práci
![Page 15: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/15.jpg)
Aplikace 1. TZ na ideAplikace 1. TZ na ideáálnlníí plynplyn
• Izotermický d ěj (T = konst.) – Boyleův-Marriotův zákon
• Adiabatický d ěj (δQ =0)
• Při adiabatickém ději se plyn koná práci na úkor svévnitřní energie
![Page 16: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/16.jpg)
TermodynamickTermodynamickéé dděějeje
![Page 17: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/17.jpg)
Kruhový dKruhový děějj
• Kruhový vratný děj (cyklus) je takový soubor změn, po jejichž proběhnutí se vrátí pracovní látka do počátečního stavu
![Page 18: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/18.jpg)
CarnotCarnotůůvv (ide(ideáálnlníí)) kruhový dkruhový děějj• Carnotův kruhový děj se skládá ze dvou izotermických
a ze dvou adiabatických dějů tvořících čtyři dílčí vratnéděje
![Page 19: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/19.jpg)
CarnotCarnotůůvv kruhový dkruhový děějj
• Práce vykonaná při jednom cyklu
• Účinnost Carnotova cyklu
![Page 20: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/20.jpg)
Druhý termodynamický zDruhý termodynamický záákonkon
• Uvažujeme nyní Carnotův kruhový děj v obráceném směru
![Page 21: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/21.jpg)
Formulace druhFormulace druhéého ho termodynamicktermodynamickéého zho záákonakona
• Teplo nemůže samovolně přejít z tělesa studenějšího na těleso teplejší – Clausius (1850)
• Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhovým dějem práci jen tím způsobem, že by se nějaká látka ochlazovala na teplotu nižší než je teplota nejstudenějšího místa v okolí – Kelvin (1851)
• Není možné sestrojit periodicky pracující stroj, který by nezpůsoboval nic jiného, než že by trvale ochlazoval zvolenou tepelnou lázeň a konal rovnocennou práci Thompson a Planck
• Není možně sestrojit perpetuum mobile druhého druhu –Ostwald
![Page 22: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/22.jpg)
Matematická formulace druhého termodynamického zákona
• Vratný děj
• Nevratný děj
![Page 23: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/23.jpg)
EntropieEntropie• V populárním výkladu se často mluví o míře
neuspo řádanosti systému
• Celková entropie uzavřeného systému se nemůže nikdy zmenšit. V přírodě tedy všechny děje směřují do více neuspořádaného stavu.
![Page 24: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/24.jpg)
Entropie• Při nevratném cyklickém ději
• Jestliže probíhá v tepelně izolované soustavě jakýkoliv nevratný děj, entropie soustavy roste. Konstantní zůstávájen tehdy, když děj v uvažované soustavě probíhá vratně.
![Page 25: Termodynamické zákony - jcu.cztěleso teplejší – Clausius (1850) • Je nemožné získat ze soustavy neživých látek kruhov ým dějem práci jen tím zp ůsobem, že by se](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081410/60991cb312b91a09a939e3c5/html5/thumbnails/25.jpg)
TTřřetetíí termodynamický ztermodynamický záákonkon
• Třetí termodynamický zákon se týká termodynamických stavových funkcí a vlastností látek za teplot blízkých 0 K.
• Žádným postupem, ať jakkoli idealizovaným, nelze u žádné soustavy dosáhnout snížení její teploty na hodnotu 0 K konečným počtem operací.