Veličine u termodinamici

Термодинамика

М

“Handout” 1 - 

предавања

припремили

: 

др

Александар

Саљников

, 

ванредни

професор

др

Мирко

Коматина

, 

редовни

професор

VII (

зимски

) 

семестар

шк

. 201

2

/201

3

. 

године

2 

Увод

Суштина

топлотних

појава

 (

и

 - 

у

физици

уопште

) 

је

кретање

, 

међутим

различито

од

кретања

које

се

проучава

у

другим

гранама

физике

. 

ТД

проучава

кретање

молекула

чврстих

, 

течних

и

гасовитих

тела

, 

које

се

 – 

услед

огромног

броја

и

изузетно

малих

димензија

молекула

 - 

не

може

пратити

помоћу

метода

својствених

другим

гранама

физике

. 

Од

свог

настанка

, 

ТД

се

бави

праћењем

, 

одн

. 

мерењем

вредности

топлотних

величина

као

што

су

температура

и

количина

топлоте

, 

које

су

дефинисане

у

циљу

квантификовања

и

бољег

разумевања

топлотних

појава

. 

Термодинамика

се

бави

процесима

 (

и

на

њима

заснованим

уређајима

) 

помоћу

којих

се

постиже

задовољење

двеју

битних

човекових

потреба

: 

за

радом

из

других

извора

и

 - 

за

хлађењем

себе

и

намирница

, 

на

начин

који

није

спонтано

могућ

у

природи

. 

Спонтано

, 

механички

рад

се

трансформише

у

топлоту

  (

свуда

присутним

) 

трењем

. 

Помоћу

деснокретних

циклуса

одн

. 

топлотних

машина

се

постиже

обрнуто

 - 

топлота

(

истина

 - 

не

цела

већ

само

делимично

) 

се

претвара

у

механички

рад

. 

Спонтано

, 

у

природи

се

топлота

предаје

од

топлијег

тела

хладнијем

. 

Али

, 

помоћу

левокретних

циклуса

односно

расхладних

уређаја

се

постиже

обрнуто

 - 

топлота

се

од

хладнијег

тела

предаје

топлијем

. 

То

се

остварује

улагањем

механичког

рада

Величина

која

је

заједничка

за

све

области

физике

је

енергија

. 

Енергија

је

скаларна

величина

која

карактерише

различите

видове

кретања

, 

боље

рећи

преображаја

материје

 (1. 

дефиниција

). 

Енергија

је

квантитативна

мера

интензитета

кретања

 (

или

могућности

тј

потенцијала

кретања

) 

материје

у

свим

њеним

разноликим

облицима

 (2. 

дефиниција

). 

Постоје

различити

облици

енергије

, 

али

је

она

јединствена

, 

енергија

се

нити

губи

нити

ствара

, 

она

само

прелази

из

једног

облика

у

други

. 

Материја

се

дели

на

супстанцију

(

увек

поседује

молекуле

и

масу

) 

и

не

-

супстанцију

(

физичко

поље

, 

електромагн

. 

зрачење

 - 

квант

има

енергију

и

масу

само

док

се

креће

). 

Термодинамички

систем

 (

ТДС

) . 

Међудејства

ТДС

и

околине

Термодинамички

систем

 - 

количина

супстанције

, 

просторна

област

, 

тело

, 

група

тела

изабрана

за

анализу

. 

Околина

 - 

све

што

није

обухваћено

термодинамичким

системом

Гранична

површ

 - 

раздваја

ТДС

и

околину

Границе

ситема

 – 

реалне

и

апстрактне

, 

покретне

и

непокретне

Између

ТДС

и

околине

постоје

узајамна

дејства

  (

међудејства

)  

4 

Методе

изучавања

у

Термодинамици

- 

Феноменолошки

Тела

су

састављена

од

огромног

броја

елементарних

честица

 ( 

молекули

, 

атоми

 ).  

Хаотично

кретање

. 

Проучава

се

понашање

целокупног

система

 ( 

макростање

 ) 

Стање

ТДС

се

описује

својствима

макроскопске

природе

 ( p, V, T,… ) 

која

је

лако

измерити

и

својствима

која

могу

бити

одређена

на

основу

познавања

измерених

величина

. 

- 

Статистички

Разматра

се

грађа

супстанције

ради

добијања

јасније

физикалне

слике

величина

и

процеса

( 

молекуларно

-

кинетичка

теорија

 )  

Анализа

микростања

Молекуларно

 – 

кинетичку

теорију

гасова

је

у

физику

увео

немачки

научник

Лудвиг

Болцман

, ( 19. 

век

 ). 

Као

рачунски

алати

се

користе

теорија

вероватноће

и

математичка

статистика

. 

- 

Квантно

механички

 –

преношење

топлоте

зрачењем

Подела

ТДС

према

особинама

граничних

површи

1.  

Затворени

ТДС

Он

може

бити

са

покретним

и

непокретним

границама

. 

Кроз

њих

се

преноси

топлота

и

рад

, 

али

се

не

преноси

супстанција

.  

Имају

смисла

величине

: p, T ... m, V, H, S, Q, W  (

све

 ’’

без

тачке

’'). 

Све

су

границе

материјалне

. 

Ознаке

 1 

и

 2 

представљају

разновремена

стања

исте

супстанције

W 

Q 

5 

Подврсте

: 

1. 

затворени

систем

у

општем

случају

 (

неизоловани

цилиндар

са

померљивим

клипом

) 

2. 

адијатермни

  (

адијабатски

изолован

) 

затворени

систем

, 

нема

одвођења

ни

довођења

топлоте

, 

врши

се

запремински

рад

  (

изоловани

цилиндар

са

померљивим

клипом

) 

3. 

дијатермни

 - 

доводи

се

или

одводи

топлота

али

се

не

може

вршити

рад

(

неизолован

цилиндар

са

укоченим

клипом

) ... 

могу

се

вршити

само

изохорски

процеси

 
4. 

Изолован

систем

 – 

нема

размене

топлоте

ни

вршења

рада

 ( 

изолован

цилиндар

са

укоченим

клипом

 ) 

2.  

Отворени

ТДС

Имају

смисла

величине

: p, T      

као

и

.

.

.

.

.

.

m , V , H ,S, Q , W

t

Све

су

границе

материјалне

сем

улазног

и

излазног

пресека

 (

замишљене

). 

Ознаке

 1 

и

 2 

представљају

истовремена

стања

супстанције

на

карактеристичним

местима

( 

улаз

-

излаз

 ). 

Термодинамичка

равнотеж

a

Термодинамичка

  (

Термо

 – 

механичко

 – 

хемијска

 ) 

равнотежа

представља

истовремено

присуство

термичке

, 

механичке

и

хемијске

равнотеже

. 

Термичка

равнотежа

 – 

једнакост

температура

у

свим

тачкама

посматраног

система

. 

Механичка

равнотежа

 – 

једнакост

притисака

у

свим

тачкама

посматраног

система

. 

Хемијска

равнотежа

 – 

једнакост

концентрација

у

свим

тачкама

посматраног

система

. 

W

t 

m 

Q 

m 

Кроз

границе

отвореног

система

може

да

се

преноси

и

супстанција

и

топлота

и

рад

. 

Рад

није

 „

запремински

“ 

него

 „

на

вратилу

“- 

до

сада

називан

 „

технички

рад

“ 

што

је

као

назив

веома

непрецизно

, 

па

се

напушта

. 

7 

У

величине

стања

спадају

:     p,T      

и

      V,U,H,S 

Спољни

утицаји

су

: Q 

и

 W 

Карактеристике

радне

материје

су

 (

за

идеалан

гас

): 

моларна

маса

гаса

 M

g

, 

гасна

константа

 R

g

, 

специфични

топлотни

капацитети

 c

p

, c

v

. 

Радна

материја

, 

радна

супстанција

, 

радно

тело

 – 

супстанција

или

тело

чије

понашање

проучавамо

. 

Термодинамика

проучава

појаве

у

којима

је

р

.

м

. 

углавном

гас

- 

идеалан

или

реалан

. 

Код

реалних

гасова

посматрамо

и

процесе

кондензације

и

испаравања

и

одговарајућа

стања

течности

. 

Промена

вредности

 (

одн

. 

разлика

) 

величина

стања

зависи

само

од

почетног

и

крајњег

стања

, 

а

никако

од

врсте

процеса

којим

се

прелази

из

почетног

у

крајње

стање

 (

као

ни

од

тога

да

ли

је

процес

равнотежан

или

не

). 

Величине

процеса

  (

спољни

утицаји

) 

су

величине

које

су

узрок

или

последица

процеса

и

које

се

никако

не

могу

 (

и

не

смеју

) 

дефинисати

за

неко

стање

 (

равнотежно

или

не

). 

     - 

нема

означавања

 W

1

, W

2

 , Q

1

 , Q

2

постоје

само

величине

са

ознакама

 W

12

и

 Q

12

Да

би

променили

стање

радне

супстанције

мора

да

се

промени

нека

величина

стања

. 

Промена

величина

стања

карактерише

промену

стања

радне

супстанције

. 

Пример

: 

стање

 1 = 

у

згради

МФ

,  

величина

стања

је

надморска

висина

 111

м

, 

стање

 2 = 

на

врху

Авале

,  

величина

стања

је

надморска

висина

 511

м

. 

Разлика

надморских

висина

је

у

сваком

случају

 400

м

, 

а

од

тога

какав

је

процес

тј

. 

да

ли

возимо

преко

Аутокоманде

, 

Винче

или

Обреновца

, 

зависи

колико

се

бензина

(

дизела

) 

потроши

. 

Гориво

сагорева

и

даје

топлоту

, 

која

даје

рад

  (

у

мотору

СУС

). 

Дакле

 Q

12

, W

12

. 

1 

2 

пут

од

стања

 1 

до

стања

 2 – 

не

утиче

на

разлику

величина

стања

 (

утиче

само

на

вредност

величина

процеса

) ! ! !