Transcript Toplina, plinski zakoni

Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
FIZIKA 1
TOPLINA
TERMODINAMIČKA TEMPERATURA – osnovna SI veličina
osnovna SI jedinica - KELVIN
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
fizička veličina koja opisuje toplotno stanje tijela
FIZIKA 1
TEMPERATURA
TEMPERATURNE LJESTVICE
T=0K
najniža temperatura u prirodi
T = 273,15 K ledište vode
T = 373,15 K vrelište vode
2. Celzijeva temperaturna ljestvica
t = 0o C
t = 100o C
ledište vode
vrelište vode
Veza temperaturnih ljestvica
T   273,15  
t
T   t
t   C
FIZIKA 1
T   K
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
1. Kelvinova ili apsolutna temperaturna ljestvica
TOPLINSKO DJELOVANJE
duljina na temperaturi t = 0o C
duljina na temperaturi t
1 lt  lo

t lo
   ( C)-1
FIZIKA 1
lt  l0 (1   t )
toplinska rastezljivost tvari
   ( C)-1
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
1. Toplinsko rastezanje tijela (jedna dimenzija, npr. žica)
2. Toplinsko širenje tijela (tri dimenzije: duljina, širina, visina)
Vt  V0 (1  3 t )
3   toplinska širivost tvari
obujam na temperaturi t = 0o C
obujam na temperaturi t

1 Vt  Vo
t Vo
FIZIKA 1
Aluminij
Mjed
Beton
Bakar
Dijamant
Staklo
Zlato
Željezo
Olovo
Magnezij
Živa
Molibden
Nikal
Hrast
Bor
Platina
α pri 20 °C
·10−6 (°C)-1
23
19
12
17
1
8,5
14
11,1
29
26
61
4,8
13
54
34
9
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
Tvar
Izvor: wiki
FIZIKA 1
PVC
Kvarc
Guma
Safir
Silicij
Srebro
Nehrđajući čelik
Čelik
Volfram
α pri 20 °C
·10−6 (°C)-1
52
0,59
77
5,3
3
18
17,3
11,0 ~ 13,0
4,5
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
Materijal
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
FIZIKA 1
TOPLINSKO ŠIRENJE - PRIMJER
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
FIZIKA 1
TOPLINSKO ŠIRENJE - PRIMJER
ANOMALIJA VODE
r
0
4
T / oC
V
Voda zauzima najmanji obujam na T = 4 oC
0
4
T / oC
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
FIZIKA 1
Gustoća vode najveća na T = 4 oC
ANOMALIJA VODE
ANOMALIJA VODE - POSLJEDICE
r
0
V
0
4
T / oC
Zaleđena
boca vode
puca
Životinje u
zaleđenom
jezeru prežive
4
T / oC
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
FIZIKA 1
Led
pliva
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
FIZIKA 1
PLINSKI ZAKONI
V
za T = konst.
p V = konst.
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
FIZIKA 1
BOYLE - MARIOTTEOV ZAKON - IZOTERMNA PROMJENA STANJA
BOYLE - MARIOTTEOV ZAKON
Strujanje zraka kroz dišne puteve obavlja se kroz udisaj i izdisaj.
UDISAJ je posljedica kontrakcije vanjskih međurebrenih mišića koji podižu rebra,
i kontrakcije ošita koji spušta dno prsnog koša čime se širi prsne šupljine.
Povećanje obujma prsne šupljine širi pluća, širenje uzrokuje pad tlaka u plućima
na vrijednost manju od atmosferskog te ulaz zraka u pluća.
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
FIZIKA 1
RAD PLUĆA
GAY-LUSACOV ZAKON - IZOBARNA PROMJENA STANJA
obujam plina na temperaturi t = 0o C
obujam plina na temperaturi t
1  -1
( C)
Eksperimentalno je ustanovljeno
Toplinska širivost
273
t
V  Vo (1 
)
o
273 C
 273 o C  t   V  T 

V  Vo 
o

o
T
273
C
o




 
V Vo

T To
V
 konst.
T
FIZIKA 1
V = Vo (1 +  t )
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
za p = konst.
V
 konst.
T
p2
p2< p1
p1
T
Na niskim temperaturama plin mijenja
agregatno stanje i plinski zakoni ne vrijede
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
V
FIZIKA 1
GAY-LUSACOV ZAKON - IZOBARNA PROMJENA STANJA
GAY-LUSACOV ZAKON
ZGNJEČENA LIMENKA
U hladnoj vodi temperatura plina u limenci se smanji.
Vodena para u limenci naglo kondenzira.
Tlak plina u limenci se smanji (zrak ne može ulaziti u limenku jer je pod vodom).
Smanjenje tlaka dovodi do usisavanja vode u limenku, no ulazni otvor
je mali, a smanjenje tlaka je toliko da atmosferski tlak izvana zgnječi limenku.
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
FIZIKA 1
Limenka je prazna, ali isplahnuta vodom da se stvori malo pare.
Iz posude vruće vode premjesti se u posudu hladne vode.
GAY-LUSACOV ZAKON
“ZGNJEČENA “ VAGON CISTERNA
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
FIZIKA 1
Cisterne za prijevoz goriva
- konstruirane da mogu izdržati veći tlak
- stijenka je obično građena od 1 cm debelog čelika, ponegdje čak i deblja.
No, zbog svoje velike površine (p = F/S) cisterna je kontrahirala tijekom
hladne noći.
CHARLESOV ZAKON - IZOHORNA PROMJENA STANJA
V2
V2
T
za V = konst.
p = po ( 1 +  t)
p
 konst.
T
V1
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
FIZIKA 1
V1
>
p
CHARLESOV ZAKON
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
FIZIKA 1
Polijevanje balona tekućim dušikom
JEDNADŽBA STANJA PLINA
- općenito složena
JEDNADŽBA STANJA IDEALNOG PLINA
Idealni plin (teorijski koncept):
- molekule zanemarivih obujama,
- međumolekulske sile zanemarene,
- sudari molekula i molekula s posudom savršeno elastični
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
FIZIKA 1
- prikazuje se plohom u trodimenzionalnom p-V-T dijagramu
po ,Vo , To
Izobarna u T
V ' Vo

T To
po ,V ' , T
izotermna
Konačno stanje
p ,V , T
po V '  p V
p V po Vo

T
To
JEDNADŽBA STANJA
IDEALNOG PLINA
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
Početno stanje
FIZIKA 1
JEDNADŽBA STANJA IDEALNOG PLINA
AVOGADROV ZAKON
Množina
tvari
V
m
N
n


Vm M N A
Obujam
jednog mola
Vm  22,4 10-3 m 3mol 1
Masa
jednog
mola
Broj čestica u jednom molu
Avogadrova konstanta
N A  6,02 1023 mol 1
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
Obujam plina
Masa plina
Broj čestica
FIZIKA 1
Za sve plinove vrijedi:
jednaki obujmi u jednakim uvjetima (p, T) imaju jednak broj čestica
JEDNADŽBA STANJA IDEALNOG PLINA – DRUGI OBLIK
Za standardne uvjete: p = 101 325 Pa, T= 273,15 K
jednadžba stanja idealnog plina
FIZIKA 1
Vmo

Vmo
p V po Vo Vmo

T
To Vmo
Uvodi se veličina
po Vmo
R
To
Vo
n
Vmo
p V  n RT
OPĆA PLINSKA KONSTANTA
R= 8,314 J mol-1 K-1
JEDNADŽBA STANJA
IDEALNOG PLINA
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
p V po Vo

T
To
JEDNADŽBA STANJA IDEALNOG PLINA – TREĆI OBLIK
p V  n RT
N
pV 
RT
NA
Uz uvođenje Boltzmannove konstante
k
R
NA
k  1,38 1023 J K 1
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
JEDNADŽBA STANJA
IDEALNOG PLINA
FIZIKA 1
p V  N kT
TOPLINSKI KAPACITET KRUTINA I TEKUĆINA
FIZIKA 1
Specifični toplinski kapacitet
C
Q
c 
m mT
Molni toplinski kapacitet
Cm 
C
n
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
Q
C
T
Količina topline potrebna za povišenje temperature za T
TOPLINSKI KAPACITET KRUTINA I TEKUĆINA
Specifični toplinski kapacitet
C
Q
c 
m mT
Fizička jedinica
Molni toplinski kapacitet
C   Q  J
T  K
Cm 
c  Q  J
T m K kg
C
n
Fizička jedinica
C   Q  J
T n K mol
FIZIKA 1
Fizička jedinica
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
Q
C
T
Količina topline potrebna za povišenje temperature za T
Specifični toplinski kapacitet
FIZIKA 1
Zrak ( 25 °C)
Amonijak
Argon
Helij
Vodik
Dušik
Kisik
Voda ( 25 °C)
Živa
c
J·kg−1·K−1
1 012
4 562
523
5 237
14 245
1 038
913
4 181
1 390
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
Tvar
Izvor: Strojarski priručnik
KOLIČINA TOPLINE
Q  c m T
Količina topline koju treba dovesti tijelu mase m
i spec. topl. kapaciteta c da mu se temperatura
povisi za T
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
Q
c
mT
FIZIKA 1
Iz relacije za spec. topl. kapacitet
AGREGATNA STANJA
sublimacija
taljenje
kruto
zaleđivanje
vaporizacija
tekuće
depozicija
kondenzacija
ionizacija
plinovito
rekombinacija
plazma
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
Fazni prijelazi - promjene agregatnih stanja – promjene molekulske strukture
FIZIKA 1
Faza je homogeno stanje fizičkog sustava koja u svim dijelovima ima
ista svojstva i granicom je odvojen od ostalih dijelova tvari.
PROMJENA AGREGATNIH STANJA
373,15
ledište
273,15
C
A
D
B
Q
/ J kg 1
m
Taljenje
leda
Zagrijavanje
leda
Zagrijavanje
vode
Isparavanje
vode
Zagrijavanje
pare
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
vrelište
FIZIKA 1
Voda, normirani uvjeti
T/K
LATENTNA TOPLINA
vrelište
373,15
ledište
273,15
C
A
D
B
L1
L2
Specifična
toplina
taljenja
Specifična
toplina
isparavanja
LATENTNA
TOPLINA
LATENTNA
TOPLINA
Q
/ J kg 1
m
Izv. prof. dr. sc. Rajka Jurdana Šepić
T/K
FIZIKA 1
Voda, normirani uvjeti