Uploaded by avikzer

asd

advertisement
‫במערכת סגורה‬
‫הגדרה‬
‫החוק הראשון של התרמודינמיקה מכונה גם חוק שימור האנרגיה‪ ,‬וקובע שהאנרגיה‬
‫אינה יכולה להיווצר או להיעלם‪ ,‬אלא היא יכולה לעבור מצורה אחת לצורה אחרת‪ ,‬כך‬
‫שסך כל האנרגיה נשמרת קבועה‪.‬‬
‫מערכת סגורה‪ :‬מערכת שאינה מאפשרת מעבר מסה דרך גבולותיה‬
‫האנרגיה הכוללת של מערכת סגורה מורכבת ‪ ,‬בדרך כלל‪ ,‬משלושה סוגי אנרגיה‪:‬‬
‫• אנרגיה קינטית‬
‫• אנרגיה פוטנציאלית‬
‫• אנרגיה פנימית‬
‫אנרגיה קינטית‬
‫הגדרה‪:‬‬
‫אנרגיה קינטית היא אנרגיית תנועה‪ ,‬כלומר היא אנרגיה שיש למערכת כתוצאה‬
‫מתנועת כל המערכת במרחב כגוף אחד‪.‬‬
‫סימון‪𝐸𝑘 :‬‬
‫נוסחה‪:‬‬
‫𝟐𝒗∙𝒎‬
‫𝟐‬
‫= 𝒌𝑬‬
‫כאשר‪:‬‬
‫𝐽 𝑘𝐸 ‪ -‬אנרגיה קינטית‬
‫𝑔𝑘 𝑚 ‪ -‬מסה‬
‫𝑚‬
‫𝑐𝑒𝑠‬
‫𝑣 ‪ -‬מהירות‬
‫אנרגיה פוטנציאלית‬
‫הגדרה‪:‬‬
‫אנרגיה פוטנציאלית היא אנרגיית התלויה במצב הגוף או המערכת‪ ,‬במילים אחרות‬
‫היא אנרגיה שיש למערכת כתוצאה ממקומה בגובה מסוים‪ ,‬התייחסות למערכת כגוף‬
‫אחד‬
‫סימון‪𝐸𝑝 :‬‬
‫נוסחה‪:‬‬
‫כאשר‪:‬‬
‫𝒉 ∙ 𝒈 ∙ 𝒎 = 𝒑𝑬‬
‫𝐽 𝑝𝐸 ‪ -‬אנרגיה פוטנציאלית‬
‫𝑔𝑘 𝑚 ‪ -‬מסה‬
‫𝑚‬
‫‪𝑠𝑒𝑐 2‬‬
‫‪ - g‬תאוצת הכובד‬
‫𝑚 ‪ - ℎ‬גובה‬
‫אנרגיה פנימית‬
‫הגדרה‪:‬‬
‫שני סוגי האנרגיה שהוזכרו ( אנרגיה קינטית ואנרגיה פוטנציאלית ) אפשר להבחין‬
‫בקיומן ולמדוד אותן ע"י קביעת מיקום ומהירות המערכת ‪ .‬בנוסף לאנרגיות אלו‬
‫קיימות אנרגיות ברמה המולקולרית של המערכת ‪ ,‬האנרגיות האלו מתבטאות‬
‫בתנועה ובתגובה בין המולקולות של החומר‪.‬‬
‫האנרגיה הזאת אינה ניתנת למדידה באופן ישיר‪.‬‬
‫סימון‪𝑼 :‬‬
‫יח'‪𝐽 :‬‬
‫האנרגיה הכוללת של המערכת‬
‫בצורה המתמטית‪:‬‬
‫𝑝𝐸 ‪E = U + 𝐸𝑘 +‬‬
‫‪1‬‬
‫‪𝐸 = 𝑈 + ∙ 𝑚 ∙ 𝑣2 + 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ‬‬
‫‪2‬‬
‫הפרש באנרגיה בין מצב ‪ 1‬ל‪2 -‬‬
‫‪1‬‬
‫‪+ ∙ 𝑚 ∙ 𝑣22 − 𝑣12‬‬
‫‪2‬‬
‫‪𝐸2 − 𝐸1 = 𝑈2 − 𝑈1 + 𝑚𝑔 ∙ ℎ2 − ℎ1‬‬
‫מכאן אפשר לבטא את שינוי האנרגיה של המערכת כסכום השינויים באנרגיה קינטית‪,‬‬
‫באנרגיה הפוטנציאלית ובאנרגיה הפנימית שלה‪ ,‬כלומר‪:‬‬
‫כאשר‪:‬‬
‫𝑼∆ ‪∆𝑬 = ∆𝑬𝒌 + ∆𝑬𝑷 +‬‬
‫‪-‬‬
‫𝐽 𝐸∆ ‪ -‬שינוי האנרגיה של המערכת‬
‫‪-‬‬
‫𝐽 𝑝𝐸∆ ‪ -‬שינוי באנרגיה פוטנציאלית של המערכת‬
‫‪-‬‬
‫𝐽 𝑘𝐸 ‪ -‬שינוי באנרגיה קינטית של המערכת‬
‫‪-‬‬
‫𝐽 𝑈∆ ‪ -‬שינוי באנרגיה הפנימית של המערכת‬
‫ברוב מערכות תרמודינמיות שנדון בהן‪ ,‬אפשר להזניח את השינויים באנרגיה‬
‫הקינטית ובאנרגיה הפוטנציאלית ולכן שינוי האנרגיה של המערכת יהיה שווה לשינוי‬
‫האנרגיה הפנימית שלה‪,‬‬
‫כלומר שינוי האנרגיה הכוללת יהיה שווה לשינוי האנרגיה הפנימית‬
‫𝑈∆ = 𝐸∆‬
‫לכן ניתן לרשום את החוק הראשון של תרמו בצורה הבאה‪:‬‬
‫𝑾 ‪∆𝑼 = 𝑼𝟐 − 𝑼𝟏 = 𝑸 −‬‬
‫החוק ה‪ 1-‬של תרמודינמיקה במערכת סגורה‬
‫כפי שצוין קודם‪ ,‬מערכת סגורה היא מערכת שאינה מאפשרת מעבר מסה דרך‬
‫גבולותיה ולכן מצד אחד המסה שלה קבועה ‪ ,‬ומצד אחר האנרגיה במערכת‬
‫סגורה יכולה להשתנות רק ע"י ביצוע עבודה או בצורת חום‪.‬‬
‫אם כך‪ ,‬אפשר להגדיר במילים את החוק הראשון של תרמודינמיקה " חוק שימור‬
‫האנרגיה" בעבור מערכת סגורה בדרך הזאת‪:‬‬
‫עבודה נטו שמבצעת‬
‫המערכת‬
‫תוך פרק זמן מסויים‬
‫חום נטו הנכנס‬
‫‪ −‬למערכת תוך פרק‬
‫זמן מסויים‬
‫שינוי האנרגיה של‬
‫= המערכת תוך פרק‬
‫זמן מסוים‬
‫ערך‬
‫‪Q>0‬‬
‫‪Q=0‬‬
‫‪Q<0‬‬
‫‪W>0‬‬
‫משמעות‬
‫קליטת (ספיגת) חום למערכת‬
‫אין קליטה‪/‬פליטה של חום‬
‫פליטת (שחרור) חום מהמערכת‬
‫המערכת מבצעת עבודה על הסביבה‬
‫‪W=0‬‬
‫‪W<0‬‬
‫לא מבוצעת‪/‬מושקעת עבודה‬
‫הסביבה מבצעת עבודה על המערכת‬
‫‪U > 0‬‬
‫‪U = 0‬‬
‫‪U < 0‬‬
‫הגדלת אנרגיה פנימית של מערכת‬
‫אין שינוי באנרגיה הפנימית‬
‫הקטנת אנרגיה פנימית של מערכת‬
‫עבודה‬
‫‪1‬‬
‫עבודה‬
‫עבודה היא אחת מצורות האנרגיה של המערכת ‪ ,‬אבל להבדיל מן האנרגיות‬
‫שהכרנו לפני ( אנרגיה קינטית ‪ ,‬אנרגיה פוטנציאלית‪ ,‬אנרגיה פנימית) שהן מהוות‬
‫תכונות של המערכת – העבודה אינה מהווה תכונה של המערכת ‪.‬‬
‫עבודה מתבצעת על ידי המערכת או על המערכת במהלך תהליך מסוים‪ ,‬אבל‬
‫המערכת לא אוגרת עבודה בתוכה!‬
‫במערכות מכניות העבודה מוגדרת כמכפלת הכוח ‪ F‬הפועל על הגוף במרחק שהגוף‬
‫עובר ‪.X‬‬
‫𝑿∙𝑭=𝑾‬
‫על מנת להבין מה היא עבודה בתרמודינמיקה נתבונן בדוגמה‪:‬‬
‫נקודת סיום תהליך היא נקודה ‪ 2‬והלחץ שם‬
‫‪ 𝑃2‬ונפח ‪𝑉2‬‬
‫השטח בירוק זה ההעתק 𝑋∆ שעוברת‬
‫הבוכנה בין ‪ 2‬מצבים והוא קטן מאוד ‪ .‬אנחנו‬
‫באים בהנחה שתוך שינוי בהעתק (בדרך)‬
‫הלחץ לא משתנה‪.‬‬
‫מכאן‪:‬‬
‫𝐴∙𝑃= 𝐹‬
‫𝑋∆ ∙ 𝐹 = 𝑊‬
‫ידוע ששטח הבוכנה כפול ההעתק שווה‬
‫לנפח‪∆𝑉 = 𝐴 ∙ ∆𝑋 :‬‬
‫לכן מתקבל הביטוי‪:‬‬
‫𝑽∆ ∙ 𝑷 = 𝑾∆‬
‫עבודה בתהליכים שונים‬
‫עבודה בתהליך איזוברי‬
‫העבודה שווה לשטח מלבן‪:‬‬
‫‪𝑊 = 𝑃 ∙ 𝑉2 − 𝑉1‬‬
‫עבודה בתהליך בו הלחץ משתנה‬
‫העבודה שווה לשטח טרפז‪:‬‬
‫‪𝑃1 + 𝑃2‬‬
‫=𝑊‬
‫‪∙ 𝑉2 − 𝑉1‬‬
‫‪2‬‬
‫אך התהליך הוא לא בהכרח צורה גאומטרית ידוע‪ ,‬לכן פותחה משוואה לצורות‬
‫נוספות והיא כללית‪.‬‬
‫בתהליך כללי‪𝑃 ∙ 𝑉 𝑛 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 :‬‬
‫‬‫‬‫‬‫‪-‬‬
‫𝑡𝑠𝑛𝑜𝑐 קבוע שיחידותיו תלויות ביחידות לחץ ונפח‬
‫𝑠𝑎𝑃 𝑃 ‪ -‬הלחץ במערכת שמשתנה תוך כדי תהליך‬
‫‪ - 𝑉 𝑚3‬נפח המערכת שמשתנה תוך כדי התהליך‬
‫𝑛 ‪ -‬מעריך הנפח ללא יחידות‬
‫מכאן ניתן לרשום‪:‬‬
‫𝟐𝒏𝑽 ∙ 𝟐𝑷 = 𝟏𝒏𝑽 ∙ 𝟏𝑷‬
‫שאלה????‬
‫למה שווה העבודה בתהליך האיזוכורי?‬
‫תשובה‬
‫‪ ‬אין שינוי נפח בזמן עליית הלחץ‬
‫‪ ‬אין שטח מתחת לקו המתאר את התהליך‪,‬‬
‫המשמעות לא מבוצעת עבודה‪.‬‬
‫תרגיל ‪:1‬‬
‫תרגיל ‪:2‬‬
‫תרגיל ‪:3‬‬
‫נפח‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪3‬‬
‫‪4‬‬
‫לחץ‬
‫טמפ'‬
‫תרגיל ‪ :3‬פתרון‬
‫שיעורי בית בנושא העבודה נמצאים ב ‪Moodle-‬‬
‫חום‬
‫בדומה לעבודה החום הוא סוג של אנרגיה בשלב מעבר‪ .‬מעבר האנרגיה בחום‬
‫מתרחש ברמה המולוקולרית של החומר עקב הפרש טמפרטורה‪.‬‬
‫כאשר קיים הפרש טמפ' בין גוף לסביבתו יהיה מעבר אנרגיה‪ ,‬סוג אנרגיה זו‬
‫העוברת באופן טבעי ממקום שהטמפ' גבוהה למקום שהטמ' נמוכה הינו חום‪.‬‬
‫המשמעות של "אופן טבעי" היא שאין התערבות גורם נוסף בתהליך העברת חום‪.‬‬
‫דוגמה‪:‬‬
‫נניח ולגוף ‪ A‬יש טמפ' של ℃ ‪ 20‬ולגוף ‪ . 21 ℃ B‬שני גופים נמצאים במגע וממוקמים‬
‫בתוך מעטפת בידוד עם הסביבה‪ ,‬כלומר מעבר החום מתבצע אך ורק בין גוף ‪ A‬לבין גוף‬
‫‪ B‬דרך שטח מגע ‪ .‬כאשר הטמפ' של גוף ‪ A‬תשווה לטמפ' של גוף ‪ B‬יפסק מעבר חום בין‬
‫הגופים ואז ניתן לומר כי המערכת הגיעה לשיווי משקל תרמי‪.‬‬
‫חומרים שונים מגיבים באופן שונה להוספת חום‪ .‬קצב עליית הטמפרטורה של‬
‫החומר תלויה בתכונה המכונה החום הסגולי של החומר‪.‬‬
‫חום סגולי מוגדר ככמות החום הדרושה כדי לחמם יח' כמות של חומר במעלה‬
‫אחת של טמפ'‪.‬‬
‫את החום אפשר לספק לגזים ( או להוציא מהם) בשיטות שונות ובעיקר תוך כדי‬
‫שמירה על נפחם הסגולי הקבוע או על לחצם הקבוע בזמן תהליך‪.‬‬
‫• תהליך הוספת‪/‬הוצאת החום מהגז בנפח סגולי קבוע – תהליך איזוכורי‬
‫• תהליך הוספת‪/‬הוצאת החום מהגז בלחץ קבוע – תהליך איזוברי‬
‫החום הסגולי האיזוכורי‬
‫החום הסגולי האיזוכורי הוא כמות החום הדרושה כדי לעלות את טמפ' של 𝑔𝑘 ‪ 1‬גז‬
‫במעלה אחת כאשר נפחו של הגז נשאר קבוע בתהליך החימום‪.‬‬
‫ אם נפחו של הגז נשאר קבוע תוך כדי חימומו‪ ,‬כל תוספת של חום גורמת אך ורק‬‫להעלאת הטמפ' של הגז‪.‬‬
‫סימון‪𝐶𝑉 :‬‬
‫יח' ‪:‬‬
‫𝐽‬
‫𝐾‪𝑘𝑔∙°‬‬
‫החום הסגולי האיזוברי‬
‫החום הסגולי האיזוברי הוא כמות החום הדרושה כדי לעלות את טמפ' של 𝑔𝑘 ‪ 1‬גז‬
‫במעלה אחת כאשר לחצו של הגז נשאר קבוע‪.‬‬
‫ בחימומו של הגז בלחץ קבוע ‪ ,‬גורמת הוספת חום לא רק להעלאת טמפ' אלה גם‬‫ליצירת עבודה המבוטאת ע"י התפשטות הגז ( לדוגמה‪ :‬הרמת בוכנה)‪.‬‬
‫סימון‪𝐶𝑝 :‬‬
‫יח' ‪:‬‬
‫𝐽‬
‫𝐾‪𝑘𝑔∙°‬‬
‫גז‬
‫אויר‬
‫חמצן‬
‫חנקן‬
‫מימן‬
‫פחמן דו‪-‬חמצני‬
‫‪kJ‬‬
‫‪kg C‬‬
‫‪0.720‬‬
‫‪0.653‬‬
‫‪0.745‬‬
‫‪10.130‬‬
‫‪0.690‬‬
‫‪Cv‬‬
‫‪kJ‬‬
‫‪kg C‬‬
‫‪1.000‬‬
‫‪0.912‬‬
‫‪1.042‬‬
‫‪14.253‬‬
‫‪0.879‬‬
‫‪CP‬‬
‫היחס בין חום הסגולי בלחץ קבוע לבין החום הסגולי בנפח קבוע מוגדר‪:‬‬
‫𝑝𝐶‬
‫𝑉𝐶‬
‫=𝛾‬
‫שאלה??‬
‫מהם היחידות של 𝛾?‬
‫כמו כן ניתן לתאר את קבוע הגז ‪𝑅 = 𝐶𝑃 − 𝐶𝑉 :‬‬
‫ביטויים מתמטיים‪:‬‬
‫𝑅∙𝛾‬
‫= 𝑃𝐶‬
‫‪𝛾−1‬‬
‫𝑅‬
‫= 𝑉𝐶‬
‫‪𝛾−1‬‬
‫ביטויים מתמטיים לחום‬
‫סימון חום‪𝑄 :‬‬
‫יח'‪𝐽 :‬‬
‫𝑇∆ ∙ 𝑃𝐶 ∙ 𝑚 = 𝑄‬
‫כמות החום הנכנסת או היוצאת מהגוף המחולקת במסת הגוף תסומן ‪𝑞 :‬‬
‫𝑄‬
‫=𝑞‬
‫𝑚‬
‫כמות החום הנכנסת או היוצאת מהגוף ביחידת זמן ‪ ,‬תוגדר כקצב הכנסת‪/‬יציאת‬
‫החום ותסומן ‪𝑄 :‬‬
‫𝑄‬
‫=𝑄‬
‫𝑡‬
‫דוגמה‪:‬‬
‫לגוף שהמסה שלו היא 𝑔𝑘 ‪ 2‬נכנסת כמות חום של 𝐽 ‪ 3000‬בתהליך שנמשך ‪5‬‬
‫שניות‪.‬‬
‫חשב‪:‬‬
‫‪ .1‬את כמות החום הנכנסת ליחידת מסה‬
‫‪ .2‬קצב הכנסת כמות חום‬
‫שיעורי בית בנושא החום נמצאים ב ‪Moodle-‬‬
‫החוק ה‪ 1-‬של תרמודינמיקה במערכת סגורה‬
‫כפי שצוין קודם‪ ,‬מערכת סגורה היא מערכת שאינה מאפשרת מעבר מסה דרך‬
‫גבולותיה ולכן מצד אחד המסה שלה קבועה ‪ ,‬ומצד אחר האנרגיה במערכת‬
‫סגורה יכולה להשתנות רק ע"י ביצוע עבודה או בצורת חום‪.‬‬
‫אם כך‪ ,‬אפשר להגדיר את החוק הראשון של תרמודינמיקה " חוק שימור‬
‫האנרגיה" בעבור מערכת סגורה בדרך הזאת‪:‬‬
‫𝑾 ‪∆𝑬 = 𝑸 −‬‬
‫שימור אנרגיה כאשר תהליך כולל מעבר חום ועבודה‬
‫הפרש בין אנרגיית המערכת בסיום התהליך לבין התחלתו 𝐸∆ (עשוי להיות חיובי‬
‫או שלילי ) שווה להפרש בין החום הנכנס למערכת ‪ Q‬לבין העבודה שמערכת ביצע‬
‫‪.W‬‬
‫• ‪ – Q‬כאשר (‪ – )+‬כמות החום הנכנסת למערכת‬
‫כאשר (‪ – )-‬כמות החום היוצאת ממערכת‬
‫• ‪ - W‬כאשר (‪ – )+‬העבודה שביצע המערכת‬
‫כאשר (‪ – )-‬העבודה שבוצע על המערכת‬
‫יש להקפיד נכון על שימוש בסימנים נכונים‬
‫פיתוח‪:‬‬
‫𝑾 ‪∆𝑬 = 𝑸 −‬‬
‫𝑊 ‪𝑈2 + 𝐸𝑃2 + 𝐸𝑘2 − 𝑈1 + 𝐸𝑃1 + 𝐸𝑘1 = 𝑄 −‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫𝑊 ‪𝑈2 - 𝑈1 + 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ2 − ℎ1 + ∙ 𝑚 ∙ 𝑣22 − 𝑣12 = 𝑄 −‬‬
‫𝑊 ‪𝑈2 − 𝑈1 = 𝑄 −‬‬
‫מקרים מיוחדים‪:‬‬
‫במקרים רבים אנו מעוניינים בגדלים סגוליים ( גדלים ליח' מסה)‬
‫𝑈‬
‫=𝑢‬
‫𝑚‬
‫𝑊‬
‫=𝑤‬
‫‪,‬‬
‫𝑚‬
‫𝑄‬
‫=𝑞‬
‫‪,‬‬
‫𝑚‬
‫מפה משוואת החוק הראשון של תרמודינמיקה‪∆𝑢 = 𝑞 − 𝑤 :‬‬
‫יש גם מקרים שנדרש הקשר בין קצב שינוי האנרגיה לבין הספק וקצב מעבר חום‬
‫𝑄‬
‫קצב מעבר חום ‪𝑄 = :‬‬
‫הספק‪:‬‬
‫𝑊‬
‫𝑡‬
‫𝑡‬
‫=𝑊‬
‫קצב שינוי אנרגיה פנימית‪:‬‬
‫𝑈‬
‫𝑡‬
‫=𝑈‬
‫𝑊‪𝑈 =𝑄−‬‬
‫כאשר ‪𝑈2 = 𝑈1 :‬‬
‫זהו תהליך מחזורי בו האנרגיה הפנימית בתחילת התהליך שווה‬
‫לאנרגיה הפנימית בסוף התהליך‪,‬‬
‫ומפה נובע ‪𝑄 = 𝑊 :‬‬
‫דוגמאות‬
‫עבודת בית מפורסמת‬
‫ב‪moodle -‬‬
Download