BIOFIZIKA
TERMO-FIZIKA
ˇ
ˇ c´
Akademik, prof. dr Jovan P. Setraj
ci
[email protected]
Univerzitet u Novom Sadu
Departman za fiziku PMF
Powered by
LATEX 2ε ! – p. 1/1
Termika
FENOMENOLOŠKA TEORIJA
stanja sistema velikog broja cˇ estica
parametri stanja:
pritisak, zapremina, temperatura, ...
Temperatura
stepen zagrejanosti
termiˇcka ravnoteža i smer toplotne razmene
t0 = 0 [◦ C]
T0 = 273, 15 [K]
t = 100 [◦ C]
T = 373, 15 [K]
T [K] = 273 + t [◦ C]
1 – p. 2/1
Termika
- ENJE TELA
ZAGREVANJE I HLAD
zagrevanjem − linearno širenje tela
V = V0 (1 + γt)
hlad—enjem − obrnuto
TERMOREGULACIJA
I
Im
TERMOVIZIJA
temperatura ⇔ boja
0
lm
l
1 – p. 3/1
Termika
Idealan gas
molekuli su bezdimenzione loptice − zauzimaju ceo sud
izmed—u sebe ne interaguju
udari molekula o zidove suda su apsolutno elastiˇcni.
Pritisak
p = n0 kB T ,
Daltonov zakon
−23
kB = 1, 38 · 10
p=
N
X
J
K
pi ,
i=1
Avogadrov zakon
1 mol bilo koje supstancije sadrži isti
− Avogadrov broj jedinki (molekula, atoma i/ili jona):
NA = 6, 022 · 1023 [mol−1 ]
ℓ
− Molska zapremina: V0 = 22, 41
mol
1 – p. 4/1
Termika
Gasni zakoni
p
T= const
Parametri gasnog stanja id. gasova:
p, V , T , m
T1 < T2
2
1
Bojl-Mariotov zakon:
(m = const i T = const)
p V = const
− izotermski procesi
0
V
p= const
V
p1< p2
Gej Lisakov zakon
(m = const i p = const)
V
= const
ili
T
V = V0 (1 + α t [◦ C])
− izobarski procesi
1
2
V0
0
t
1 – p. 5/1
Termika
Gasni zakoni
V= const
p
V1 < V2
ˇ
Sarlov
zakon:
(m = const i V = const)
p
= const
ili
T
p = p0 (1 + α t [◦ C])
− izohorski procesi
2
1
p0
0
t
ˇ
KLAPEJRONOVA JEDNACINA
:
Jednaˇcina stanja idealnog gasa
− gasni procesi
pV = nRT
J
m
R ≡ kB NA = 8, 31
; n=
mol K
M
1 – p. 6/1
Termika
Prenos toplote
Provod¯enje:
Strujanje:
ˇ
Zracenje
:
dQ
dT
= −λ S
,
dt
dx
dQ
= −h S ∆T
dt
dQ
= −σ S T 4
dt
∆T
Q = −λ S t
∆x
1 – p. 7/1
Termika
Prenos toplote
Provod¯enje:
Strujanje:
ˇ
Zracenje
:
dQ
dT
= −λ S
,
dt
dx
dQ
= −h S ∆T
dt
dQ
= −σ S T 4
dt
∆T
Q = −λ S t
∆x
Difuzija
dm
dC
= −D S
Slobodna difuzija − Fikov zakon: Φ ≡
dt
dx
dΦ
dC
Kroz membranu:
ϕ≡
= −α D β S
≃ −Kp ∆C
dS
dx
Osmoza: difuzija rastvaraˇca kroz membranu
usled razlike u hem. potencijalima
1 – p. 7/1
Termodinamika
Energije molekulskog kretanja
ˇ
Srednja kineticka
energija molekula:
ˇ
Unutrasnja
energija:
ˇ
Kolicina
toplote
ε¯ =
i
kB T
2
i
U = nRT
2
− razmenjena energija
1 – p. 8/1
Termodinamika
Energije molekulskog kretanja
ˇ
Srednja kineticka
energija molekula:
ˇ
Unutrasnja
energija:
ˇ
Kolicina
toplote
ε¯ =
i
kB T
2
i
U = nRT
2
− razmenjena energija
Prvi princip termodinamike
promena un.energije
d′ U = n CV dT
rad sistema
dA = p dV
′
dQ = d U + dA
1 – p. 8/1
Termodinamika
Adijabatski procesi
p
ˇ
Poasonova jednacina
:
κ
p V = const
Cp
i+2
=
>1
κ=
CV
i
Q
Entropija: S =
0
T
mera je neured—enosti sistema:
S = kB ln W
adijabatski procesi su IZOENTROPIJSKI:
S = const
adijabata
izoterma
V
1 – p. 9/1
Termodinamika
Rad gasa
A=
ZV2
p dV
V1
GASNI PROCESI
izohorski
A = 0,
V = const
A = p (V2 − V1 ) ≡ n R (T2 − T1 )
V2
p1
≡ n R T ln
izotermski A = n R T ln
V1
p2
adijabatski A = n CV (T1 − T2 )
izobarski
1 – p. 10/1
Termodinamika
Kruˇzni proces
Au = A12 + A21 ≡ A > 0
direktan
(a):
inverzan
ili obrnut (b):
p
A<0
p
1
(a)
1
A>0
A<0
2
0
(b)
2
V
0
V
1 – p. 11/1
Termodinamika
ˇ procesi
Termodinamicki
ili reverzibilan:
direktan + obrnut => poˇcetak
nepovratan ili ireverzibilan:
disipacija (rasipanje) energije
povratan
T1 >T 2
T1
Q1
Q1
A
TOPLOTNA
MASINA
RASHLADNA
MASINA
A
Q2
Q2
T2 <T 1
T2
1 – p. 12/1
Termodinamika
Koeficijent korisnog dejstva
A
Q1 − Q2
Q2
η=
=
=1−
Q1
Q1
Q1
p
1
Q1
A
Kruˇzni TD ciklus
2
Q2
0
p
V
1
Q1
T1
T1 − T2
T2
=1−
Karnoov ciklus η =
T1
T1
2
4
T2
Q2
0
3
V
1 – p. 13/1
Termodinamika
PROMENA ENTROPIJE
povratni procesi:
∆S = 0
nepovratni procesi:
∆S > 0
Klauziusova nejednakost:
∆S ≥ 0
1 – p. 14/1
Termodinamika
PROMENA ENTROPIJE
∆S = S1 − S2 =
Z2
1
povratni procesi:
∆S = 0
nepovratni procesi:
∆S > 0
Klauziusova nejednakost:
∆S ≥ 0
dQ
≡
T
Z2
dU + dA
T
1
1 – p. 14/1
Termodinamika
PROMENA ENTROPIJE
∆S = S1 − S2 =
Z2
1
povratni procesi:
∆S = 0
nepovratni procesi:
∆S > 0
Klauziusova nejednakost:
∆S ≥ 0
dQ
≡
T
Z2
dU + dA
T
1
PRINCIP PORASTA ENTROPIJE
´
Svi procesi u zatvorenom TD sistemu vode povecanju
njegove
entropije, tj. oni vode sistem iz manje verovatnih stanja ka
verovatnijim.
´ verovatnocu,
´ najvecu
´ entropiju i to
Ravnoteˇzno TD stanje ima najvecu
je najneured¯enije stanje!.
1 – p. 14/1
Termodinamika
Drugi princip termodinamike
ˇ smer odvijanja TD procesa, u skladu sa principom porasta S :
definise
ˇ
Nemoguc´ je kruˇzni TD ciklus kod koga se sva toplota od grejaca
pretvara samo u rad
ˇ od
Nemoguc´ je kruˇzni TD ciklus kod koga se predaja toplote vrsi
hladnijeg ka toplijem telu
1 – p. 15/1
Termodinamika
Drugi princip termodinamike
ˇ smer odvijanja TD procesa, u skladu sa principom porasta S :
definise
ˇ
Nemoguc´ je kruˇzni TD ciklus kod koga se sva toplota od grejaca
pretvara samo u rad
ˇ od
Nemoguc´ je kruˇzni TD ciklus kod koga se predaja toplote vrsi
hladnijeg ka toplijem telu
´ princip termodinamike
Treci
U svakom TD sistemu na apsolutnoj nuli entropija sistema jednaka je
nuli:
lim S = 0 ili
T →0
S|T =0 = 0
1 – p. 15/1
Termodinamika
Promena agregatnih stanja
ˇ sˇ cavaju
´
ocvr
ˇ
CVRSTA
TECNOST
GASOVI
kondenzuju
TOPLJENJE
se tope
sublimiraju
S
OCVRSCAVANJE
ˇ
tj. kljucaju
ISPARAVANJE
isparavaju,
A
KONDENZOVANJE
G
SUBLIMACIJA
ˇ
TECNOSTI
C V R S T O
(sublimiraju)
1 – p. 16/1
Termodinamika
Fazni prelazi
p
KT
CVRSTO
TECNOST
T
OCVRSCAVANJE
TOPLJENJE
KLJUCANJE
K
KK
T
Tt
KONDENZOVANJE
CVRSTO
SUBLIMACIJA
KS
0
TOPLJENJE
TECNOST
GAS
OCVRSCAVANJE
T
Q
1 – p. 17/1
Download

4-1-Biofizika Termodinamika