Fundamenty termodynamiki i przemiany termodynamiczne

Film wyjaśnia pojęcia takie jak:

- mol substancji

- stała Avogadry i liczba Avogadry

- uniwersalna stała gazowa

- indywidualna stała gazowa

- objętość właściwa i objętość właściwa molowa

- gęstość substancji

- masa molowa substancji

Na przykładzie czterech zadań ukazuje, jak wyznaczyć indywidualną stałą gazową, masę, gęstość gazu czy, też liczbę cząsteczek w systemie w warunkach standardowych. Tłumaczy działania na jednostkach, ich zamiany oraz pojęcie ciśnienia manometrycznego.

W tym zadaniu podany został rodzaj przemiany, ciśnienie początkowe, końcowe i pobrana masa gazu. Używając równania Clapeyrona (równania stanu gazu doskonałego) wyznaczono masę gazu pozostałą.

Film wskazuje podział na warunki normalne fizyczne i techniczne, standardowe, i stan standardowy. Określa wartości ciśnienia, temperatury oraz objętość jaką zajmuje 1 kmol gazu  w określonych warunkach. W przykładach wyznaczono masę molową gazu, określono ilość substancji w kilomolach i umownych metrach sześciennych dla różnych warunków.

W tym zadaniu wyznaczono liczbę kilomoli znajdujących się w umownym metrze sześciennym w warunkach standardowych.

Ten film opisuje czym jest praca bezwzględna (absolutna, całkowita), techniczna i użyteczna. Dla każdego rodzaju pracy dołączony jest wykres p-V, zależność na pracę oraz rysunek. Tłumaczy kiedy praca jest dodatnia, a kiedy ujemna. Rozwiązanych zostało pięć przykładów, zarówno dla rozprężania, jak i sprężania. Działano na wielkościach bezwzględnych, ale też jednostkowych. Podjęto problem wyznaczenia strumienia masy gazu w silniku przepływowym (wyjaśniono działanie takiego silnika wraz ze schematem).

W tym zadaniu gaz rozprężył się odwracalnie według zależności pv=400 . Znany jest związek między objętościami oraz masa gazu. Wyznaczono pracę bezwzględną oraz przedstawiono ją w układzie pracy.

Film opisuje I zasadę termodynamiki oraz energię wewnętrzną i entalpię. Równanie przedstawiono w postaci różniczkowej, różnicowej i bezwzględnej. Zaprezentowano jak przejść z postaci I zasady termodynamiki zawierającej energię wewnętrzną, na tą z entalpią korzystając z definicji pracy technicznej.

Wyprowadzono wzory na energię wewnętrzną i entalpię, korzystając z własności przemian izochorycznej i izobarycznej. Powiązano ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu z ciepłem właściwym przy stałej objętości. Opisano zasadę ekwipartycji energii, stopnie swobody cząsteczki oraz wykładnik adiabaty. Podano sposób jak łatwo zapamiętać wartość ciepeł właściwych substancji w zależności od liczby atomów w cząsteczce.

Wprowadzono podział przemiany ogólnej (politropy) na przemiany charakterystyczne, czyli na:

- izobarę

- izotermę

- izochorę

- adiabatę/izentropę

- politropę techniczną

Każdej przemianie przyporządkowano odpowiedni wykładnik politropy. Każda z nich została przedstawiona na wykresie
p – V. Zaprezentowano całe wyprowadzenie równania politropy, korzystając z I zasady termodynamiki, wzoru na ciepło, kalorycznych równań stanu i związku pomiędzy ciepłami właściwymi.

Przedstawiono ciepło właściwe przemiany w funkcji wykładnika politropy. Ciepła właściwe przemian charakterystycznych przedstawiono na wykresie. Wyprowadzono ogólne równanie na ciepło przemiany, pracę i pracę techniczną.  

Przedstawiono model fizyczny realizacji przemiany izobarycznej (gaz w cylindrze zamknięty przesuwającym się obciążonym tłokiem). Przemianę i pracę przedstawiono na wykresie p -V. Wyprowadzono wzory na ciepło, pracę i pracę techniczną przemiany izobarycznej.

W zadaniu wyznaczono objętość gazu po ogrzaniu, pracę bezwzględną, techniczną
i użyteczną. Znając liczbę cząsteczek gazu i jego rodzaj, wyznaczono jego masę.  Określono zmianę energii wewnętrznej, entalpii oraz ciepło wymienione z otoczeniem.

Przedstawiono model fizyczny realizacji przemiany izobarycznej (gaz zamknięty w zbiorniku o nieruchomych ściankach). Przemianę i pracę przedstawiono na wykresie
p -V. Wyprowadzono wzory na ciepło, pracę i pracę techniczną przemiany izochorycznej.

W zadaniu wyznaczono ciepło przemiany, korzystając z I zasady termodynamiki oraz z podanej w zadaniu zmiany entalpii. Ciśnienia manometryczne w jednostce milimetrów słupka rtęci przeliczono na bezwzględne. Na wykresie zaznaczono pracę techniczną.

Przedstawiono model fizyczny realizacji przemiany izotermicznej (gaz o stałej temperaturze). Przemianę i prace przedstawiono na wykresie p - V. Wyprowadzono wzory na ciepło, pracę i pracę techniczną przemiany izotermicznej.

W zadaniu wyznaczono ciśnienie i objętość w stanie końcowym oraz pracę bezwzględną przemiany, znając ilość i rodzaj gazu, ciśnienie i temperaturę początkową oraz wartość pracy technicznej przemiany. Korzystano z praw działania na logarytmach.

Omówiono przemianę adiabatyczną i izentropową. Wyprowadzono wzory na pracę, pracę techniczną i ciepło przemiany. Przemianę przedstawiono na wykresie p – V, z zaznaczeniem pracy i pracy technicznej oraz izoterm, między którymi przebiega. Zobrazowano sens przemiany przy pomocy izolowanego cieplnie cylindra, przykrytego przesuwnym tłokiem.

Wyprowadzono wzory na związek pomiędzy ciśnieniami i objętościami, ciśnieniami i temperaturami oraz temperaturami i objętościami dla przemiany adiabatycznej.

W zadaniu powietrze uległo adiabatycznemu rozprężaniu. Znając parametry początkowe, spadek temperatury w stopniach Celsjusza, wyznaczono parametry końcowe (p, V, T), zmianę entalpii, pracę techniczną oraz ciepło wyznaczone z otoczeniem. Pracę przedstawiono na wykresie p – V.

Omówiono politropę techniczną, czyli przemianę, której ciepło właściwe jest ujemne. Poruszono przypadek sprężania (kompresji) i rozprężania (wykonywania pracy). Wskazano wzory na pracę, pracę techniczną i ciepło wymienione. Przedstawiono przykładową realizację przemiany na grafice oraz nakreślono ją na wykresie p – V (wraz z zaznaczeniem pracy i pracy technicznej).

W zadaniu wyznaczono wykładnik politropy, ciepło odprowadzone oraz teoretyczną moc napędową. Znano strumień powietrza, ciśnienie i temperaturę początkową i końcową. Zróżniczkowano po czasie równanie Clapeyrona i wyznaczono strumień masowy gazu (substancji).