TERMIKA VIII. Joule uv a Thompson uv pokus pro reálné plyny

Podobné dokumenty
Termodynamika ideálního plynu

Cvičení z termomechaniky Cvičení 5.

Dodatkové příklady k předmětu Termika a Molekulová Fyzika. Dr. Petr Jizba. II. princip termodamický a jeho aplikace

Dodatkové příklady k předmětu Termika a Molekulová Fyzika. Dr. Petr Jizba. II. princip termodamický a jeho aplikace

STRUKTURA A VLASTNOSTI PLYNŮ

V p-v diagramu je tento proces znázorněn hyperbolou spojující body obou stavů plynu, je to tzv. izoterma :

Termomechanika 8. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

Cvičení z termodynamiky a statistické fyziky

Tepelná vodivost. střední rychlost. T 1 > T 2 z. teplo přenesené za čas dt: T 1 T 2. tepelný tok střední volná dráha. součinitel tepelné vodivosti

Fyzikální chemie. Magda Škvorová KFCH CN463 tel února 2013

II. MOLEKULOVÁ FYZIKA 1. Základy termodynamiky IV

Cvičení z termodynamiky a statistické fyziky

Model tenisového utkání

Fluktuace termodynamických veličin

Kvantová a statistická fyzika 2 (Termodynamika a statistická fyzika)

Fyzikální chemie. 1.2 Termodynamika

Plyn. 11 plynných prvků. Vzácné plyny. He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn Diatomické plynné prvky H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2

Poznámky k cvičením z termomechaniky Cvičení 3.

Cvičení z termodynamiky a statistické fyziky

TERMOMECHANIKA 4. První zákon termodynamiky

Plyn. 11 plynných prvků. Vzácné plyny He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn Diatomické plynné prvky H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2

Úloha č.1: Stanovení Jouleova-Thomsonova koeficientu reálného plynu - statistické zpracování dat

Termodynamické základy ocelářských pochodů

Oddělení technické elektrochemie, A037. LABORATORNÍ PRÁCE č.9 CYKLICKÁ VOLTAMETRIE

TERMODYNAMIKA 1. AXIOMATICKÁ VÝSTAVBA KLASICKÉ TD Základní pojmy

TERMODYNAMIKA 1. AXIOMATICKÁ VÝSTAVBA KLASICKÉ TD Základní pojmy

2.3.6 Práce plynu. Předpoklady: 2305

Obrázek1:Nevratnáexpanzeplynupřesporéznípřepážkudooblastisnižšímtlakem p 2 < p 1

F6040 Termodynamika a statistická fyzika

Projekt realizovaný na SPŠ Nové Město nad Metují. s finanční podporou v Operačním programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost Královéhradeckého kraje

můžeme toto číslo považovat za pravděpodobnost jevu A.

13. cvičení z Matematické analýzy 2

Kinetická teorie ideálního plynu

Lineární algebra : Metrická geometrie

Základem molekulové fyziky je kinetická teorie látek. Vychází ze tří pouček:

Termodynamika materiálů. Vztahy a přeměny různých druhů energie při termodynamických dějích podmínky nutné pro uskutečnění fázových přeměn

Termodynamika. T [K ]=t [ 0 C] 273,15 T [ K ]= t [ 0 C] termodynamická teplota: Stavy hmoty. jednotka: 1 K (kelvin) = 1/273,16 část termodynamické

Termodynamické potenciály

Ideální plyn. Stavová rovnice Děje v ideálním plynu Práce plynu, Kruhový děj, Tepelné motory

Extrémy funkce dvou proměnných

Teorie. Hinty. kunck6am

V následující tabulce jsou uvedeny jednotky pro objemový a hmotnostní průtok.

Teplota jedna ze základních jednotek soustavy SI, vyjadřována je v Kelvinech (značka K) další používané stupnice: Celsiova, Fahrenheitova

Energie, její formy a měření

8.3). S ohledem na jednoduchost a názornost je výhodné seznámit se s touto Základní pojmy a vztahy. Definice

Cyklické kódy. Alena Gollová, TIK Cyklické kódy 1/23

Cvičení z NOFY / Termodynamika. 1 Cvičení Totální diferenciál. 1.1 Totální diferenciál Teplota a tlak pro ideální plyn

Elektroenergetika 1. Termodynamika a termodynamické oběhy

Příklady k přednášce 1. Úvod. Michael Šebek Automatické řízení 2019

Příklady k přednášce 1. Úvod

9. Struktura a vlastnosti plynů

SHANNONOVY VĚTY A JEJICH DŮKAZ

Neideální plyny. Z e dr dr dr. Integrace přes hybnosti. Neideální chování

Teorie. Hinty. kunck6am

PRAVDĚPODOBNOST A STATISTIKA. Metoda momentů Metoda maximální věrohodnosti

Plyn. 11 plynných prvků. Vzácné plyny. He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn Diatomické plynné prvky H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2

ÚVOD DO TERMODYNAMIKY

III. STRUKTURA A VLASTNOSTI PLYNŮ

Elektromagnetické pole je generováno elektrickými náboji a jejich pohybem. Je-li zdroj charakterizován nábojovou hustotou ( r r

Dvojné a trojné integrály příklad 3. x 2 y dx dy,

Předpjatý beton Přednáška 6

1/15. Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

Molekulová fyzika a termika. Přehled základních pojmů

Do známky zkoušky rovnocenným podílem započítávají získané body ze zápočtového testu.

2.4 Stavové chování směsí plynů Ideální směs Ideální směs reálných plynů Stavové rovnice pro plynné směsi

TERMIKA VI. Pfaffovy formy; Absolutní termodynamická teplota; Entropie trochu jinak; Tepelná kapacita K V a K p ;

Teplo, práce a 1. věta termodynamiky

Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

f x = f y j i y j x i y = f(x), y = f(y),

Analytická metoda aneb Využití vektorů v geometrii

7. Fázové přeměny Separace

Substituce ve vícenásobném integrálu verze 1.1

Náhodným (stochastickým) procesem nazveme zobrazení, které každé hodnotě náhodnou veličinu X ( t)

Elektroenergetika 1. Termodynamika

Cvičení z termomechaniky Cvičení 3.

CVIČENÍ Z ELEKTRONIKY

TERMIKA. (Petr Jizba) Doporučená literatura:

Výsledky úloh. Obsah KRUHOVÝ DĚJ S IDEÁLNÍM PLYNEM. Studijní text pro řešitele FO a ostatní zájemce o fyziku

Věta 12.3 : Věta 12.4 (princip superpozice) : [MA1-18:P12.7] rovnice typu y (n) + p n 1 (x)y (n 1) p 1 (x)y + p 0 (x)y = q(x) (6)

Termodynamika (td.) se obecně zabývá vzájemnými vztahy a přeměnami různých druhů

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2014

Stavová rovnice. Ve stavu termodynamické rovnováhy termodynamicky homogenní soustavy jsou všechny vnitřní parametry Y i

Základy matematické analýzy

8.1. Definice: Normální (Gaussovo) rozdělení N(µ, σ 2 ) s parametry µ a. ( ) ϕ(x) = 1. označovat písmenem U. Její hustota je pak.

FYZIKA I. Mechanická energie. Prof. RNDr. Vilém Mádr, CSc. Prof. Ing. Libor Hlaváč, Ph.D. Doc. Ing. Irena Hlaváčová, Ph.D. Mgr. Art.

Řešení. Označme po řadě F (z) Odtud plyne, že

MECHANIKA KAPALIN A PLYNŮ

X = x, y = h(x) Y = y. hodnotám x a jedné hodnotě y. Dostaneme tabulku hodnot pravděpodobnostní

EKONOMETRIE 4. přednáška Modely chování spotřebitele

Kapitola 8: Dvojný integrál 1/26

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

Termodynamika a živé systémy. Helena Uhrová

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

11. cvičení z Matematické analýzy 2

Národní informační středisko pro podporu jakosti

9.5. Soustavy diferenciálních rovnic

1. Obyčejné diferenciální rovnice

Relativistická kinematika

Termochemie { práce. Práce: W = s F nebo W = F ds. Objemová práce (p vn = vnìj¹í tlak): W = p vn dv. Vratný dìj: p = p vn (ze stavové rovnice) W =

IDEÁLNÍ PLYN. Stavová rovnice

Transkript:

TERMIKA VIII Maxwellova rovnovážná rozdělovací funkce rychlostí Joule uv a Thomson uv okus ro reálné lyny 1

Maxwellova rovnovážná rozdělovací funkce rychlostí Maxwellova rychlostní rozdělovací funkce se obvikle odvozuje jako stacionární řešení Boltzmannovy kinetické/transortní rovnice. V takovém říadě stacionární řešení odovída rovnovážnému rozdělení rychlostí. Z časových duvod u však rovedu oněkud ragmatičtějši odvození: Odvození: Zajímá nás jak se rozděĺı molekuly atomy lynu v závislosti na rychlosti. Pro tento účel zavedu rychlostní rostor v rostor Okamžitá rychlost každé molekuly atomu bude odovídat bodu ve v rostoru. 2

Srážkami se olohy bod u budou nesojitě měnit, ale jejich hustota bude v každém místě stejná rotože uvažovaný lyn je v termodynamické rovnováze. V d usledku demokracie směr u budou olohy všech bod u rozděleny sféricky symetricky vzhledem k očátku, t.j., hustota bod u ve v rostoru musí zaviset jen na v v. Hustotu m užeme sát jako ϱv Nfv kde: N je celkový očet molekul atom u a fv je hustota ravděodobnosti s níž nalezneme molekulu s rychlostí v. Počet molekul jejichž rychlost leží v intervalu v, v + dv je dn v hustota objem Nfvd 3 v Nfvdv x dv y dv z 3

Podobně, očet molekul atom u jejichž rychlosti atří do intervalu v, v + dv je dán vztahem dn v hustota objem Nfv4πv 2 dv Po vydělení N dostaneme ravděodobnost dp v res. dp v toho, že rychlosti molekul atomu jsou mezi v, v + dv res. v, v + dv J.C. Maxwell, 1860 dp v fvd 3 v a dp v fv4πv 2 dv Q: Čemu se rovná exlicitně fv? A: Předokládejme, že ravděodobnosti ve směru x, y a z jsou dp vx g x v x dv x, dp vy g y v y dv y, dp vz g z v z dv z, 4

V dusledku demokracie směru musí latit, že g x g y g x. Maxwell ředokládal, že směrové ravděodobnosti jsou nezávislé t.j., nař. ravděodobnost rozdělení v x nezávisí na rozdělení v y a v z. dp v gv x gv y gv z d 3 v dp v fvd 3 v fv gv x gv y gv z log fv log gv x + log gv y + log gv z Jestliže oslední výraz rodiferencujeme odle v x dostaneme Navíc, rotože v f v v g v x fv v x gv x vx 2 + v2 y + v2 z dostáváme v v x v x v f v fv 1 v g v x gv x 1 v x 5

Pravá strana a tedy i levá nezávisí na z, y a tudíž ani od x. g v x gv x αv x log gv x αv2 x 2 + log A Takže nakonec dostáváme gv x A ex gv y A ex α v2 x 2 α v2 y 2, a odobně gv z A ex α v2 z 2 ro fv latí fv A 3 ex α v2 x + v2 y + v2 z 2 A 3 ex α v2 2 6

Pozn I: Konstanta A se určí z normovací odmínky A ex Na cvičení si ukážete, že A αv2 x 2 dv x 1 α/2π a α m/k B, takže fv m 2πk B 3/2 e mv2 /2k B Pozn II: Podobně jako v teorii ravděodobností, slouži i zde rozdělovací funkce fv k nalezení středních hodnot. Naříklad viz cvičení v x v x v x fvd 3 v 0 v x v x 2 0 v x fvd 3 v 2kB πm 7

v 2 x v x v2 x fvd 3 v k B m Podobně ostuujeme i ři výočtu středních hodnot funkcí v v. Nař. v v dv dω vv 2 8kB fv 0 πm v 2 v 2 0 dv dω v 2 v 2 fv 3k B Pozn: Střední kinetická energie řiadající na jednu molekulu atom v lynu je E kin 1 2 m v2 3 2 k B m Tomuto vztahu se říká ekviartični zákon. Ukazuje, že střední kin. energie řiadající na jednu molekulu atom závisí jen na telotě. 8

Pozn: Maxwellova rozdělovací funkce se často formuluje v jazyce hybností. V tomto říadě se jí také říka Maxwell-Bolzmanova rozdělovací funkce a je dána vztahem f C ex β 2 2m zde β 1/k B. Konstanta C se určí z odmínky a z faktu, že kde dω sin θdθdφ d 3 m 3 d 3 v m 3 dv v 2 dω d 2 dω 9

Joule uv a Thomson uv okus ro reálné lyny Jak již víme v J-T okusu se rotlačuje lynu v adiabaticky izolované trubici z jednoho olorostoru o objemu V 1 do druhého o objemu V 2 řez orézní řeážku. Tlaky 1 a 2 1 > 2 jsou udržovány konstantní. Z adiabatičnosti rocesu δq 0 du dv 1 dv 1 + 2 dv 2 U 2 U 1 0,V2 0 du 1 dv 1 V 1,0 V 1 U 2 + 2 V 2 U 1 + 1 V 1 H 2 H 1 V2 0 2dV 2 1 V 1 2 V 2 Při J-T okusu se zachovává entalie. D uležitou charakteristikou J-T okusu je změna teloty, t.j., / H 10

Matematické intermezzo - metoda Jacobián u: Přechody od jedněch nezávisle roměnných k jiným se dají v termodynamických výrazech výhodně formulovat rostřednictvím metody Jacobián u. Definujme, Y x, y det x x y y, x, y, Y y, x, y, x Z této definicí nař. dostáváme, že x x y y x y x W y W W W, Y x, y x, y, W, Y, W 1,Y x,y x, y, Y Všimněte si, že, Y x, Y det x 0 x 1 x Y 11

Podobné vztahy latí i ro více než dvě nezávisle roměnné. Nař.,, Podobně: Zafixuju-li Y dostávám,,,, Zobecnění do více stuňu volnosti je římočaré 1, 2,... zde 1, 2,... jsou všechny zbylé roměnné.,,,,!!! Pozor: fixovat 1 samo o sobě nestačí, nař. + 1 1 1, 2,... 12

1, 2, 1,Y, 1, 2, 1,Y, 1, 2 2 1,,Y, 2 1 2 1, 2 1,2 1, 1, 2 2 1, Všimněte si také, že + Y 1 Y 1!!! odobně 1 1 +1 D u: Dokažte, že ro alární transformaci: x r cos θ, y r sin θ latí x, y/ r, θ r a ro sférickou transformaci: x r sin θ cos ϕ, y r sin θ sin ϕ a z r cos θ latí x, y, z/ r, θ, ϕ r 2 sin θ 13

Některé jednoduché alikace: Zobecněný Mayer uv vztah S C V V S S, V, V S S,V,,V, C S oužijeme-li vztah S z druhé serie Maxwellových vztah u, dostaneme nakonec C C V 2 Podobně, začneme-li ze vztahu C S/ a řejdeme-li k roměnným, V obdržíme znovu 14

2 C C V V D u: dokažte!! Předchozí vztah jsme si jiz dříve několikrát odvodili. Kolik z usob u odvození již znate? Podíl izotermické a adiabatické stlačitelnosti. ε ε S 1 V 1 V S,,,S,S,S,,S, S S V C / C V / κ Zět k J-T exerimentu. Protože H S K 15

metoda Jacobián u imlikuje, H, H,H,,H, H H H 1 K H λ Veličina λ někdy také µ JK se nazývá diferenciální J-T koeficient. Pozn: Znaménko koeficientu λ a tedy chladící schonost závisí na znaménku výrazu H/. Inverzní telota i : Je exerimentálně ozorovaná kritická telota ro kterou latí: jestliže řed rotlačením lynu byla telota 1 > i, otom o rotlačení je telota za reážkou 2 > 1, t.j., lyn se rotlačením zahřívá λ > 0. Byla-li naoak telota řed řeážkou 1 < i, otom o stlačení je 2 < 1, t.j., lyn se ochlazuje λ < 0. Inverzní telota i odovidá telotě kdy H/ 0. 16

Pozn I: Výraz H/ 0 muže být řesán v jednoduchém tvaru. Ze vztahu S S dh ds + V d d + d + V d [ ] S S d + + V d H S + V Navíc z druhé série Maxwellových vztahu máme S takže celkově H + V 0 V 17

Pro Van der Waals uv lyn lze ukázat viz cvičení, že i 2a Rb Pozn I: Pro ideálni lyn je H/ 0 t.j., λ 0 a tedy IP si ři J-T exerimentu udržuje konstantní telotu. i ro některé standardní lyny Pozn III: J-T exeriment sloužil v dřívějších dobách jako nástroj ke schlazovéní/zkaalňování lyn u. Dnes jsou mnohem efektivnější kriogenní metody. 18