Vypracované otázky 2009/2010 - Termodynamika

TERMODYNAMIKA
Červená – 1. termín A Zelená – 1. termín B Modrá – 2. termín
19.1. Vysvětlete, čím se zabývá termodynamika. Jaké soustavy v termodynamice uvažujeme? Čím jsou
charakterizovány?
Termodynamika – zabývá se zákony, jimiž se řídí transformace tepla v jiné formy energie. Je založena na
několika zákonech – tzv. principech termodynamiky
Podle způsobu interakce systému s okolím rozdělujeme termodynamické systémy na
izolované systémy, u nichž nedochází k výměně energie ani látky s okolím,
uzavřené systémy, u nichž nedochází k výměně látky s okolím, pouze k výměně energie,
otevřené systémy, u nichž dochází k výměně energie i látky s okolím.
9.2. Co je to vnitřní energie soustavy? S čím je spojená? Co je teplo?
Vnitřní energie soustavy – je to souhrn potenciální a kinetické energie spojené s náhodným pohybem atomů,
molekul a jiných mikroskopických částí zkoumaného předmětu.nebo
Vnitřní energie soustavy – je rovna součtu kinetické energie tepelného pohybu molekul a potenciální energie
odpovídající vzájemnému působení (interakcí) molekul.
Teplo – je veličina , která je rovna změně vnitřní energie při tepelné výměně mezi dvěma tělesy (resp.mezi
systémem a okolím). Teplo přijaté systémem (např. láhev teplé vody) je kladné (znaménko +), teplo odejmuté
systému je záporné (znaménko -).Teplo se značí Q.
19.3. Definujte tepelnou kapacitu, měrnou tepelnou kapacitu, molární tepelnou kapacitu, skupenské a
latentní teplo. Popište teplotní roztažnost těles.
Tepelná kapacita – značí se C. Je to množství tepla, které zvýší teplotu tělesa o 1 °C . Je dána vztahem
( )f iQ CT T= − [ 1.JK− ]
iT…počáteční teplota tělesa
fT …koncová teplota tělesa
Q…teplo dodané tělesu
Měrná tepelná kapacita – značí se c (tepelná kapacita na jednotku hmotnosti). Měrná tepelná kapacita
vyjadřuje jaké množství tepla přijme 1 kg látky, když se ohřeje o 1°C. Je dána vztahem
( )f iQ cmT T cm T= − = ∆ [ 1 1. .Jkg K− − ] m…hmotnost
Molární tepelná kapacita – značí se molc (tepelná kapacita na jednotku látkového množství). Je dána vztahem
( )mol f i molQ c nT T c n T= − = ∆ [mol]
n…látkové množství
Skupenské teplo – Je to teplo, které těleso příjme nebo odevzdá při změně svého skupenství. Jeho teplota se
přitom nemění. Značí se Q, teplo vztažené na jednotku hmotnosti Q = Lm. Měrné skupenské teplo – značí se L
[kJkg ]
Latentní teplo - Všechny čiré substance v přírodě jsou schopné změnit svoje skupenství. Z pevných látek se
mohou stát kapaliny (přeměna ledu ve vodu) a kapaliny se mohou změnit v plyny (přeměna vody v plyn), ale k
těmto změnám je potřeba dodání nebo odebrána tepla.
Tepelná roztažnost (někdy také teplotní roztažnost) je jev, při kterém se po dodání/odebrání tepla tělesu (po
zahřátí/ochlazení tělesa o určitou teplotu), změní délka (objem) tělesa. Většina látek se při zahřívání rozpíná, to
znamená, že jejich molekuly se pohybují rychleji a dále od sebe. Obvykle je uvažována přímá úměrnost mezi
změnou veličiny ΔX a změnou teploty ΔT. Matematicky vyjádřeno, změna délky (objemu) je lineární funkcí
změny teploty T. X0 představuje výchozí hodnotu veličiny X před změnou teploty, γ je
součinitel (koeficient) teplotní roztažnosti, který bývá udáván v jednotkách K-1 nebo °C-1.
19.4. Popište práci plynu spojenou se změnou objemu soustavy. Nakreslete v p-V diagramu počáteční a
koncový stav a určete, na čem závisí velikost práce při různých cestách přechodu mezi těmito stavy.
Počáteční stav: tlak ip, objem iV , teplota iT,
koncový stav: tlak fp , objem fV , teplota fT .
Děje, které probíhají dostatečné pomalu
nazýváme kvazistatické děje = náš děj.
Stanovíme práci, kterou plyn vykoná při
infinitezimálním zvětšením objemu. Při velmi
malém zmenšením zátěže pístu plyn nadzdvihne
píst silou F o infinitezimální posunutí ds. Vykoná
přitom práci
. ( ).( ) ( )dW Fds pS ds pSds pdV= = = =r r kde dV je
infinitezimální změna objemu plynu.
Celkovou práci W, kterou plyn vykoná při změně
objemu z hodnoty iV na hodnotu fV (ubíráme
další zátěž) obdržíme sečtením všech
infinitezimálních prací, tj. integrováním
f
i
V
v
W pdV= ň Práce, stejně tak jako teplo, závisí na
tom jakou cestou probíhá konkrétní děj. Není
veličinou stavovou, ale dějovou. Systém koná
kladnou práci při zvětšování objemu. Při
zmenšování objemu vnější silou, koná systém
zápornou práci, vnější síly práci kladnou.
19.5. Vysvětlete, co to je termodynamický děj (termodynamický proces).
Termodynamický děj je děj, při kterém se mění stav tělesa (mění se některé ze stavových veličin).
19.6. Jaký je rozdíl mezi stavovými a dějovými veličinami v termodynamice? Uveďte
příklady.
Dějové veličiny – teplo Q, práce W (závisí na ději)
Stavové veličiny – ∆ U (závisí jen na počátečním a koncovém stavu), entropie J.K-1
19.7. Definujte slovně i matematicky první zákon termodynamiky.
Zákon zachování energie pro termodynamické děje je vyjádřen prvním zákonem termodynamiky, který má tvar
f iU U U Q W∆ = − = −
Q …je teplo systémem dodané
W… je práce systémem vykonaná
U …je vnitřní energie tělesa
Práce je kladná, pokud systém práci koná (pokud se pod vlivem vnější síly smršťuje). Jak Q, tak i W závisí na
ději (jsou to dějové veličiny). Naproti tomu ∆ U závisí jen na počátečním a koncovém stavu; na průběhu děje
nezávisí (vnitřní energie je stavová veličina).
19.8. Jak se bude měnit tvar prvního zákona