1 Úvod. 1.1 O této sbírce. 1.1.1 Poděkování. 1.1.2 Komu je sbírka určena. 1.1.3 O úlohách



Podobné dokumenty
Základní pojmy a jednotky

PŘEHLED JEDNOTEK TLAKU

PŘEVODY JEDNOTEK. jednotky " 1. základní

TERMOMECHANIKA 1. Základní pojmy

Postup při řešení matematicko-fyzikálně-technické úlohy

Hydrochemie koncentrace látek (výpočty)

4. Kolmou tlakovou sílu působící v kapalině na libovolně orientovanou plochu S vyjádříme jako

Molekulová fyzika a termika. Přehled základních pojmů

VÝHODY A NEVÝHODY PNEUMATICKÝCH MECHANISMŮ

AGENDA. převody jednotek koncentrace ředení osmolarita, osmotický tlak

Hydrochemie koncentrace látek (výpočty)

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

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

Výukové texty pro předmět Měřící technika (KKS/MT) na téma Tvorba grafické vizualizace principu měření tlaku (podtlak, přetlak)

Fyzikální chemie. Magda Škvorová KFCH CN463 tel února 2013

Zákony ideálního plynu

Termodynamika. Děj, který není kvazistatický, se nazývá nestatický.

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

Teplota a její měření

Termodynamika 2. UJOP Hostivař 2014

MECHANIKA KAPALIN A PLYNŮ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

9. Struktura a vlastnosti plynů

Mechanika kapalin a plynů

Termomechanika cvičení

Mol. fyz. a termodynamika

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

Přepočty jednotlivých veličin

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

Základy redakční práce. Eva Juláková Tel:

III. STRUKTURA A VLASTNOSTI PLYNŮ

Veličina. světelný rok ly ne 1 ly = (9,46051 ± 0,00009) km. účinný průřez v atomové a jaderné. barn b ne 1 b = m 2 fyzice

soustava jednotek SI, základní, odvozené, vedlejší a doplňkové jednotky, násobky a díly jednotek, skalární a vektorové veličiny

ÚVODNÍ POJMY, VNITŘNÍ ENERGIE, PRÁCE A TEPLO POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

h nadmořská výška [m]

Mechanika tekutin. Tekutiny = plyny a kapaliny

Úvod Fyzika hypotéza Pracovní hypotéza Axiom Fyzikální teorie Fyzikální zákon princip Fyzikální model materiální model

1 - NASTAVENÍ VÝŠKOMĚRU:

ROZDĚLENÍ PODLE VELIKOSTI

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

Vyšší odborná škola, Obchodní akademie a Střední odborná škola EKONOM, o. p. s. Litoměřice, Palackého 730/1

1.1.3 Převody jednotek

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

Projekt Efektivní Učení Reformou oblastí gymnaziálního vzdělávání je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

VZOROVÝ ZKOUŠKOVÝ TEST z fyzikální chemie( 1

Fyzika - Sexta, 2. ročník

VY_32_INOVACE_FY.01 FYZIKA - ZÁKLADNÍ POJMY

Jméno autora: Mgr. Zdeněk Chalupský Datum vytvoření: Číslo DUM: VY_32_INOVACE_01_FY_A

Historie SI. SI Mezinárodní soustava jednotek - Systéme International d Unités

TERMOCHEMIE, TERMOCHEMICKÉ ZÁKONY, TERMODYNAMIKA, ENTROPIE

STRUKTURA A VLASTNOSTI PLYNŮ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

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

PROCESY V TECHNICE BUDOV cvičení 3, 4

Aktivita CLIL Fyzika 3

MĚŘENÍ FYZIKÁLNÍCH VELIČIN. m = 15 kg. Porovnávání a měření. Soustava SI (zkratka z francouzského Le Système International d'unités)

OBECNÁ CHEMIE. Kurz chemie pro fyziky MFF-UK přednášející: Jaroslav Burda, KChFO.

Fyzikální principy uplatňované v anesteziologii a IM

10. Energie a její transformace

CHEMICKÉ VÝPOČTY I. ČÁST LÁTKOVÉ MNOŽSTVÍ. HMOTNOSTI ATOMŮ A MOLEKUL.

Chemické výpočty I (koncentrace, ředění)

Přehled základních fyzikálních veličin užívaných ve výpočtech v termomechanice. Autor Ing. Jan BRANDA Jazyk Čeština

VYBRANÉ STATĚ Z PROCESNÍHO INŢENÝRSTVÍ cvičení 12

N A = 6, mol -1

Datum: Projekt: Využití ICT techniky především v uměleckém vzdělávání Registrační číslo: CZ.1.07/1.5.00/34.

Stanovení hustoty pevných a kapalných látek

VYBRANÉ STATĚ Z PROCESNÍHO INŽENÝRSTVÍ cvičení 11

Základy molekulové fyziky a termodynamiky

1.1.3 Převody jednotek

PRAKTIKUM... Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Odevzdal dne: Seznam použité literatury 0 1. Celkem max.

Soustava SI FYZIKÁLNÍ VELIČINY A JEDNOTKY

CHEMICKÁ ENERGETIKA. Celá termodynamika je logicky odvozena ze tří základních principů, které mají axiomatický charakter.

KLIMATIZACE A PRŮMYSLOVÁ VZDUCHOTECHNIKA VYBRANÉ PŘÍKLADY KE CVIČENÍ I.

12. Termomechanika par, Clausius-Clapeyronova rovnice, parní tabulky, základni termodynamické děje v oblasti par

Téma sady: Všeobecně o vytápění. Název prezentace: základní pojmy 1

2.3 Tlak v kapalině vyvolaný tíhovou silou Tlak ve vzduchu vyvolaný tíhovou silou... 5

Příprava pro lektora

Poznámky k cvičením z termomechaniky Cvičení 3.

Fyzikální chemie VŠCHT PRAHA. bakalářský kurz. Prof. Ing. Josef Novák, CSc. a kolektiv. (2. listopadu 2008)

Jana Fauknerová Matějčková

Agrochemie - cvičení 05

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

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

TERMOMECHANIKA PRO STUDENTY STROJNÍCH FAKULT prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. Brno 2013

1. ÚVOD 1.1 SOUSTAVA FYZIKÁLNÍCH VELIČIN, KONSTANT,

Látkové množství n poznámky 6.A GVN

Cvičení z termomechaniky Cvičení 2. Stanovte objem nádoby, ve které je uzavřený dusík o hmotnosti 20 [kg], teplotě 15 [ C] a tlaku 10 [MPa].

ÚSTAV ORGANICKÉ TECHNOLOGIE

LOGO. Struktura a vlastnosti plynů Ideální plyn

MECHANIKA KAPALIN A PLYNŮ. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

T0 Teplo a jeho měření

Přepočet přes jednotku - podruhé I

I. 1) Mezinárodní soustava jednotek. 2) Vlastnosti kapalin a plynů. 3)Atmosférický, hydrostatický a celkový tlak.

5.4 Adiabatický děj Polytropický děj Porovnání dějů Základy tepelných cyklů První zákon termodynamiky pro cykly 42 6.

PROCESY V TECHNICE BUDOV 8

34_Mechanické vlastnosti kapalin... 2 Pascalův zákon _Tlak - příklady _Hydraulické stroje _PL: Hydraulické stroje - řešení...

ZAKLADY FYZIKALNI CHEMIE HORENí, VÝBUCHU A HAŠENí

Názvosloví Kvalita Výroba Kondenzace Teplosměnná plocha

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

TERMIKA. (Petr Jizba) Doporučená literatura:

Transkript:

1.1 O této sbírce 1.1.1 Poděkování Rád bych zde vyslovil dík a úctu památce zesnulého PaeDr. A. Vaňka, mého inspirátora a spoluautora sbírky úloh [9]. Tento text vznikl dodatečným přepracováním a rozšířením uvedené sbírky. 1.1.2 Komu je sbírka určena Tato sbírka obsahuje 306 příkladů s podrobným řešením, většinou obecným i číselným. Je určena zejména budoucím učitelům fyziky na střední škole, ale snad dobře poslouží i jiným, zvláště pokud studují podle učebnice (lit. [4]), na kterou odkazujeme takto: {Úvod 5.4.6} značí v ní kapitolu 5.4.6; {Úvod r. 5.48} značí v ní rovnici 5.48. Na ostatní literaturu (na konci knihy) odkazujeme obvykle, např. [ISO] nebo [1]. V dodatku B Tabulky jsou uvedeny všechny v textu vyžadované a použité hodnoty; čtenář tedy nepotřebuje jiné zdroje. Hodnoty fyzikálních veličin byly převzaty jednak z CODATA 2010, jednak z velmi rozšířených tabulek [FMt], s laskavým souhlasem jejich autorů, a dalších pramenů uvedených v literatuře. Údaje z různých zdrojů se ovšem mohou mírně lišit; např. již materiálové konstanty bývají zadávány při 0 C, 15 Cči20 C. Rozdíl však jednak nebývá významný, jednak může být snadno vystopován v numerické části řešení. 1.1.3 O úlohách Všechny úlohy jsou vyřešeny; řešení jsou uvedena s postupem nejprve obecným, poté s konkrétními hodnotami podle tabulek. Protože v době kalkulaček s pamětí (nemluvě o počítačích) není počet cifer technickou překážkou, byly všechny výpočty prováděny na 6 platných cifer; výsledek je zaokrouhlen s ohledem jednak na reálnou přesnost vstupních dat, jednak i na formulaci úlohy a zjednodušení zavedená při postupu. Značíme dle normy číselnou hodnotu {Q} veličiny Q a její jednotku [Q]. 7

Některé úlohy, např. v odstavci 2.1 Definice, ilustrace nejsou míněny ani tak pro úplné samostatné řešení, ale spíše ilustrují základní pojmy a poskytují číselné odhady termodynamických veličin v obvyklých situacích. Proto jejich řešení následují přímo za úlohou. Podobně je tomu s úlohami teoretického charakteru, např. v kap. 5.3, 6.2, 10.1 apod. Ostatní úlohy jsou obvyklého typu; očekávám, že průměrný čtenář bude schopen řešit většinu úloh zcela samostatně. Jejich řešení jsou uvedena na konci sbírky v samostatné části A Řešení, a to v přeházeném pořadí, aby čtenář nebyl nucen při kontrole výsledku vidět hned i řešení následujícího příkladu. Příklady i řešení jsou pochopitelně oboustranně propojeny odkazy. Je to reminiscence na projekty z doby předpočítačové, jako byla zmatená kniha s přeházenými stránkami a volbou postupu podle čtenářových odpovědí na kontrolní otázku, či doplňovací text v příkl. 8.1.1 a dále, vybízející čtenáře k aktivní spolupráci. Většina úloh ilustruje konkrétní problematiku, kterou rozebírá {Úvod} [4], některé doplňují to, co bylo řečeno jen obecně (vedení tepla), nebo uvádějí látku, kterou se {Úvod} nezabývá, ale která se v praxi vyskytuje, a proto byla vyložena zde na místě (modely atmosféry, problematika číselných výpočtů a aproximací). Další úlohy procvičují jistou potřebnou rutinu (vztahy mezi termodynamickými veličinami, totální diferenciály). Úlohy byly původně koncipovány pro budoucí učitele SŠ, a proto se snažily předjímat, s čím vším by se mohl učitel opravdu ve své pedagogické praxi setkat, a to v celé šíři, včetně záměrné nepřesnosti zadání. Hleděl jsem se vyhnout návodným formulacím, kde jsou uvedeny číselné hodnoty a rozměry všech potřebných veličin (a žádných jiných!), takže je stačí jen bezmyšlenkovitě vynásobit či vydělit v takové kombinaci, která (jediná) dává výsledek se správným rozměrem; na úlohy tohoto typu však učitel ve své praxi opravdu nenarazí jinde než právě ve sbírkách úloh. Proto také až na výjimečné případy neuvádím materiálové konstanty v textu úlohy. Často dokonce neuvádím či neupřesňuji ani informace podstatné, ale z kontextu plynoucí (typu za pokojové teploty a atmosférického tlaku ). Naopak v zadání podmínek jsou občas uvedeny i veličiny, na nichž konečný výsledek nezávisí. Mám za to, že nedílnou částí fyzikální erudice je také schopnost uvážit, co vše pro danou úlohu je třeba znát, odhadnout, které vlivy budou už vzhledem k formulaci úlohy zanedbatelné a které naopak rozhodující. Některé úlohy jsou záměrně zadány volně, ze života, některé i s jinými jednotkami než SI. Učitel si musí umět poradit jak s nejasně formulovanými dotazy žáků, tak i s tlakem krve udaným v mm Hg nebo s tlakem vzduchu vně letadla v psi a jeho teplotou ve stupních Fahrenheita. Tomu je také věnován poslední odstavec této úvodní kapitoly. Snažil jsem se pečlivě dodržet terminologii a zvyklosti doporučené mezinárodními normami, viz [ISO] a [IEV]. Uvítám všechny kritické připomínky na své adrese jan.obdrzalek@mff.cuni.cz 8

Označení 1.2 1.2 Označení V celém textu užíváme v obvyklém smyslu následující značky (není-li zcela výjimečně uvedeno jinak): C p tepelná kapacita (za stálého tlaku) μ chemický potenciál c p = Cp měrná tepelná kapacita (za st. tlaku) p tlak m C V tepelná kapacita (za stálého objemu) Q teplo dodané systému c V = C V m měrná tepelná kapacita (za st. objemu) Q = Q teplo odebrané systému F Helmholtzova energie (volná energie) R plynová konstanta (molární) G Gibbsova energie S soustava H entalpie S stav soustavy κ exponent adiabaty ideálního plynu (pv κ = konst) S entropie; rovněž L litr S plošný obsah M molární hmotnost T teplota M rrelativní molekulová hmotnost, molekulová váha U vnitřní energie m hmotnost systému V objem N = nn A počet molekul W práce dodaná systému N A Avogadrova konstanta W = W práce vykonaná systémem n látkové množství, ( počet molů ) Index m značí vždy příslušnou molární veličinu, např. V m molární objem, tedy objem 1 mol látky. Podobně C Vm, C pm jsou příslušné molární tepelné kapacity. Molární plynová konstanta se značí jen R, bez indexu. Molární hmotnost se místo m m značí M. Relativní molekulová hmotnost M r se dříve nazývala molekulová váha ; např. M rn2 28. Připomeňme, že starý název molu byl grammolekula, a byl tedy vztažen na gram, nikoli kilogram, a konečně že M r je bezrozměrová veličina a s molární hmotností M je spjata vztahem M = M r 10 3 kg/mol Otevřené a uzavřené intervaly značíme dle normy [ISO] tzv. francouzským způsobem pomocí hranatých závorek, tedy [0, 1] pro 0 x 1, [0, 1[ pro 0 x<1, ]0, 1] pro 0 <x 1, ]0, 1[ pro 0 <x<1apod. 1.3 Jednotky mimo SI Kapitolou samou pro sebe jsou jednotky mimo soustavu SI. V praxi jsou to hlavně míry a váhy z anglosaské oblasti, se kterými se běžně setkáme v cizích 9

učebnicích, návodech apod.: palec, unce, libra, F. Zvláště půvabné jsou pak jejich kombinace, jako tlak v librách na čtvereční palec, případně roztažnosti vztažené na F. Ale i u nás se užívají v lékařství mmhg, v technice atm; tu a tam zbyl i nějaký ten Torr, cal, bar, u aut někdy i HP. Učitel jich sice nebude zbytečně používat, ale poradit si s nimi musí umět. Snad pomůže několik rad a tabulek. Provádějme vždy výpočty nejprve obecně, bez dosazování konkrétních hodnot. Dost často se některé veličiny vykrátí či vyruší a ušetříme si zbytečné převody a zaokrouhlovací chyby. Rozdíl dvou teplot zadaných jednou v K a podruhé ve Cjetýž.Nenítedy nutno převádět C na K tam, kde se vyskytuje pouze rozdíl teplot. Podobně při podílu dvou veličin ve stejných jednotkách (libry, palce,...); můžeme pracovat bez převodu jednotek; podíl (bezrozměrový) bude týž. Toto pravidlo o podílu však neplatí proteplotu proč 1? Pozor zejména na F, ty budeme převádět na C nebo K asi vždy. Jedině podíl dvou údajů v R (stupních Rankina, nikoli Re stupních Réaumura!) by byl týž jako podíl v K, ale těžko se s ním v praxi setkáme. Platí následující vztahy: jsou-li T F, T C, T K číselné hodnoty téže teploty {T }, to jest, jestliže T = T F F=T C C=T K K, pak T C = 5 9 (T F 32) ; T F = 9 5 T C +32 ; T K = T C + 273,15. Při častější práci s Fahrenheitovou stupnicí se vyplatí zapamatovat si následující hodnoty teplot: 40 C= 40 F ; 0 C=32 F ; 100 C = 212 F. Jména a hodnoty nejčastějších jednotek mimo SI britské: čes. angl. značka definice (hodnota) obrácený převod libra pound lb 1 lb = 0,453 6 kg 1 kg 2,204 6 lb unce ounce oz 1 oz = 1 16 lb 28,35 g 1 kg 35,273 oz palec, inch in; 1 in = 25,4 mm 1 m 39,37 coul technické: kilopond kp 1 kp = 9,806 65 N (tedy tíha 1 kg závaží) 1 Různé teplotní stupnice nemají společnou nulu, takže údaje v nich jsou sice lineárně závislé, nikoli však přímou úměrou. 10

Jednotky mimo SI 1.3 Poznamenejme, že nehledě na historii jsou nyní i v anglofonním světě britské jednotky definovány nikoli přímo, ale odvozeny z jednotek SI převodem s dohodnutým činitelem převodu. Tlak V anglosaském systému se tlak udává v psi (pound per squared inch). Převodní vztah je 1 psi 6 894,757 Pa. Je zcela běžný např. mezi piloty v aeronavigaci. Řada historických jednotek je vázána na atmosférický tlak. Tzv. normální atmosférický tlak odpovídá hydrostatickému tlaku rtuťového 2 sloupce výšky 760 mm v Torricelliho trubici. Dříve se nazýval též fyzikální atmosféra atm. Pro stručnost ho užíváme často i v zadání běžných úloh. Užívalo se i následujících označení a jednotek: 1 atm = 101 325 Pa = 1,013 25 bar = 760 mmhg = 760 Torr 1,033 23 at. Názvy (a značky) uvedených jednotek: fyzikální atmosféra (atm); pascal (Pa) bar (bar) zpravidla milibar (mbar), milimetr rtuťového sloupce (mmhg) torr (Torr), podle Torricelliho technická atmosféra (at); Tzv. technická atmosféra, at, byla rovna tlaku tíhy 1 kg závaží na 1 cm 2 při normálním zrychlení g =9,806 65 m s 2. Pro ni platí 1 at = 98 066,5 Pa 0,967 84 atm 735,559 mmhg. Rozdíl tří procent byl v praxi často zanedbatelný a hovořilo se pak prostě o atmosféře. Zkratka atü označuje přetlak (Überdruck) oproti standardnímu atmosférickému tlaku, např. v pneumatikách. 2 Podle toho také byla (z hustoty rtuti a dohodnutého tíhového zrychlení g =9,806 65 m s 2 ) stanovena hodnota normálního tlaku (101 325 Pa). 11

Energie Pro měření tepla se dlouho užívaly jednotky (a značky) kalorie (cal), odvozená z tepelných vlastností vody, a velká kalorie (Cal), kde 1 Cal = 1 000 cal = 1 kcal. Kvůli teplotní závislosti C p (T ) u vody vzniklo časem více jednotek: Patnáctistupňová kalorie: cal 15 byla množstvím tepla, potřebným k zahřátí 1 g vody z 14,5 C na 15,5 C; převádíme ji vztahem 1 cal 15 =4,185 5 J. Mezinárodní kalorie: 1 cal IT =4,186 8 J = 3,968 3 10 3 BTU Termochemická kalorie: 1 cal = 4,184 J. Pro běžnou práci s tepelnou kapacitou vody se dobře pamatují vztahy 1cal 4,2 J; 1 J 0,24 cal. V anglosaském systému se užívá BTU (British Thermal Unit) o velikosti 1BTU 1 055,056 J. (Zhruba tedy 1 BTU 1kJ.) Další jednotky pro energii a výkon byly 1cm 3 atm = 0,101 325 J; litr-atmosféra, 1 L at=98,066 5 J; koňská síla (horse power), 1 HP = 745,700 W. 12