Seuraa 
Viestejä9
Liittynyt14.11.2016

Miksi oletetaan, että kiinteät aineet noudattaa samaa termodynamiikkaa kuin kaasut? Ominaisuuksien ero on valtava, sillä kiinteässä tai nestemäisessä aineessa atomit ovat toistensa vuorovaikutuksessa, joka luo ominaisen lämpölaajenemisen ja kokoonpuristuvuuden. ideaalikaasussa taas eivät. Toki ominaislämpökapasiteetti ja tiheys, jne pitää paikkaansa.

Kommentit (3)

hmk
Seuraa 
Viestejä885
Liittynyt31.3.2005

cotton kirjoitti:
Miksi oletetaan, että kiinteät aineet noudattaa samaa termodynamiikkaa kuin kaasut?

Siksi, että klassinen termodynamiikka perustuu termodynamiikan pääsääntöihin: nämä ovat yleispäteviä (kaikelle aineelle päteviä) sääntöjä, joten niiden avulla johdettu termodynamiikka pätee kaikelle aineelle. Esimerkiksi ensimmäinen pääsääntö on oleellisesti energian säilymisen laki, ja tämän oletetaan pätevän kaikelle aineelle riippumatta siitä onko sen olomuoto kaasu, kiinteä, tai jokin muu. (Termodynamiikan 1. pääsääntö: aineen sisäinen energia ei voi kasvaa tai pienentyä itsestään, vaan se voi muuttua vain, jos systeemiin tuodaan tai siitä poistetaan energiaa.)

Kolikon kääntöpuolena tästä seuraa, että mikäli termodynamiikkaa halutaan soveltaa johonkin tiettyyn systeemiin, vaikkapa rautapalikkaan, tarvitaan klassisen termodynamiikan yleispätevien kaavojen lisäksi välttämättä myös ainekohtaista kokeellista tai (termodynamiikan ulkopuolelta tulevaa) teoreettista tietoa. Tämä tieto voi olla esim. lämpökapasiteetteja, sulamis- ja kiehumispisteitä, palamislämpöjä, elektrodien standardipotentiaaleja, tilanyhtälöitä, yms.

Täten termodynamiikka voi kertoa meille esim, että minkä tahansa yksinkertaisen systeemin (rautapalikka, astiassa oleva erä vettä, tai säiliössä oleva typpikaasu) entropian muutos isobaarisessa lämmityksessä on (Cp/T)·ΔT, missä Cp on systeemin isobaarinen lämpökapasiteetti ja ΔT on systeemin lämpötilan muutos (niin pieni, että Cp voidaan olettaa vakioksi ko. lämpötilavälillä). Kaavan johdossa tarvitaan ainoastaan määritelmiä ja yleispäteviä pääsääntöjä, joten se pätee kaikelle yksinkertaiselle aineelle. Kaavan soveltaminen tiettyyn systeemiin kuitenkin edellyttää kokeellista tietoa tutkitun systeemin lämpökapasiteetista Cp, ja se on toki erilainen rautapalikalle ja typpikaasulle.

In so far as quantum mechanics is correct, chemical questions are problems in applied mathematics. -- H. Eyring

hmk
Seuraa 
Viestejä885
Liittynyt31.3.2005

Täsmennys edellisen viestini kaavaan: se pätee, kun lämpötilan muutos on niin pieni, että Cp/T pysyy likimain vakiona.

In so far as quantum mechanics is correct, chemical questions are problems in applied mathematics. -- H. Eyring

cotton
Seuraa 
Viestejä9
Liittynyt14.11.2016

Termodynamiikan pääsäännöt on toki tuttuja.   Yritän ymmärtää, mitä tapahtuu:  Otetaan vaikkapa ideaalikaasu.  Kaasumaisessa olomuodossa siinä ei oleteta olevan molekyylien välistä vuorovaikutusta.  Kun kaasua puristetaan, niin se lämpenee.  
Havaintoesimerkkinä vaikka paineilmalaitteito autokorjaamossa, jonka hyötysuhde on yleensä n. 15 %. (Puristamiseen käytetty energia - työpisteessä työkalusta ulos saatava energia)
Kiinteässä aineessa, vaikkapa teräsakseli, jolla piikataan kalliota, tehonsiirto on liki häviötöntä, koska aine on kiinteää. Molekyylit ovat toistensa vuorovaikutuksessa aika tiukasti. Toki on olemassa äärimäisen pieni kokoonpuristuvuus.

Jos otetaan arvo teräsakselin edestakaiselle liikkeelle kalliota piikatessa: olkoon vaikka 1 millimetriä.  Jos lämmitetään tätä teräsakselia joka iskun aikana esimerkiksi 100 astetta, ja myös jäähdytetään. saadaan vaikkapa millin lisäliike pituudessa, riippuen akselin pituudesta ja lämpölaajeneiskertoimesta.  Tähän lämmittämiseen kuluu vaikkapa 10 kJ. Ja työkone akselin päässä käyttää liikkeen tekemiseen vaikkapa 10 kJ.
(teknisesti tämä nopea lämmitys-jäähdytys on haastavaa, mutta se ei ole oleellista, sillä nyt olemme puhtaasti teoriassa)
Mitä tapahtuu? Lämpeneekö akseli kokoonpuristuisen johdosta 10 kJ. Ei.  Koska ollaan molekyylien vuorovaikutuksen vaikutusalueella. Piteneekö akseli lämmön vaihtelusta? Kyllä. Iskun pituus on tällöin yhteensä 2 millimetriä. 
Jos lasken termodynamiikan mukaan akselin lämmitämisen tekemän työn hyötysuhteen, siinä käytetään lämpötilaeroja. (Carnot)  Tulos kyllä täsmää jokseenkin, jos mitataan sisään menevä teho ja ulos tuleva työ. Eli se millin liike.
Mutta: on huomioitava se, että akselin läpi kulkee samalla koneen tekemä työ, 10 kJ, joka ei lämmitä akselia kuin marginaalisen pienen joustavuuden osalta, joka on laskettavissa termodynamiikan mukaan.  Kertaluokkaa n. 0,00 J
Pointti on se, että kaasu joustaa, ja lämpenee puristettaessa. Kiinteä aine ei juurikaan. Kiiteän aineen tekemän työn hävikki tulee itse aineen ominaislämpökapasiteetin mukaan, ei Carnot:n mukaan. Koska akseli joudutaan jäähdyttämään jokaisen työliikkeen välillä, jotta saadaan uusi pituuden muutos. 
Työkoneen,olkoonpa vaikka höyrykone tai polttomoottori, kaasun paisumiseen perustuva kuitenkin, hävikki tulee menetetystä paineesta, joka luonnollisestikin muuttuu lämpötilaeroksi, kun kyseessä on kaasu.  Näin ollen voidaan muodostaa suora yhteys lämpötilojen ja hyötysuhteen välille termodynamiikassa.

Väitän, että suurin osa mekaanista termodynamiikkaa perustuu kaasuita tehdyista havainnoista johdettuihin yhtälöihin, ja kiinteiden aineiden kohdalla laskennalliset arvot osuu tontille, mutta periaate täysin eri. Jos haluttaisi laskea teräsakselin  lämmityksen tekemän työn hyötysuhde oikein, niin pitäis mennä molekyylien vuorovaikutustasolle. Sieltä saisi todellisen maksimi hyötysuhteen "teräsakseli" lämpövoimakoneelle. 

Seuraavaksi joku sanoo, että tämä kumoaa termodynamiikan II:n . Ei todellakaan. Sillä "teräsakseli" lämpövoimakone ei ole käännettävissä lämpöpumpuksi, koska ollaan molekyylien vuorovaikutusalueella, jolloin puristaminen ei tuota lämpöä kuin marginaalisesti.

Suosituimmat

Uusimmat

Uusimmat

Suosituimmat