My *nix world

Termofysik: tryck,lyftkraft,temperatur,värme,värmekapacitet

Tryck

När en kraft F verkar vinkelrätt mot och jämnt fördelad över en yta med arean A, är trycket p lika med kraften dividerad med arean.

 tryck=\frac{kraft}{area} eller  P=\frac{F}{A}

Enheten för tryck är pascal, Pa ( 1Pa=1 \frac{N}{m^2}, 1 atm=101325 Pa, 1 bar=10^5 Pa)

Pascals lag

Trycket i en vätska ökar med djupet enligt formeln:

p=p0+ρ·g·h där p är trycket på djupet h, p0 är trycket på den övre ytan, medan termen ρgh är det tryck som vätskan ger. Om vi ersätter p-p0=pvätska då kan vi skriva formeln som:

pvätska=ρ·g·h (aka hydrostatisk tryck)

Lyftkraft

Alla föremål som är helt/delvis omgivna av vätska (t.ex. vatten) utsätts för en lyftkraft. Lyftkraften verkar alltid uppåt.

Arkimedes princip

Ett föremål som är nedsänkt i en vätska, påverkas av en lyfttryck som är lika stor som tyngden av den vätskemängd som föremålet tränger undan.

F0=m·g=(ρ·V)·g där F0 är lyftkraften, ρ är vätskans densitet. V är den unanträngda vätskans volym och g är tyngdaccelerationen.

Om lyftkraften är mindre än tyngden, sjunker föremålet till boten.Om lyftkraften är lika med tyngden då ligger föremålet stilla. Om lyftkraften är store en tyngden, stiger föremålet mot ytan.

Arkimedes princip gäller alltid och inte bara för vätskor. Principen är t.ex. detsamma för en varmlyftballong.

Notera att tendensen att stiga är proportionelt med vätskan densitet.

Gastryck

En gas är ett kaos av molekyler i oupphörlig rörelse med hög hastighet i alla riktinigar. Molekylerna kolliderar ständigt med varandra och med ytor som är i kontakt med gasen. Det gör att gasen i en behållare fyller hela behållarent och trycker på alla ytorna. Gasmolekylerna kolliderar ständigt med väggarna. Det ger gastrycket som beror på att molekylerna stöter emot väggarna i behållaren.

Vid havsytan är gastrycket ungefär 101325 Pa. Detta kallar vi 1 atmosfär (1 atm).

Lyfttrycket mäter vi med en barometer.

Notera att Pascals lag för vätsketryck (p=ρgh) kan inte användas på lyfttrycket i atmosfär eftersom lyftens densitet avtar med höjden.

Temperatur

Temperaturen för ett ämne vissar den genomsnittliga kinetiska energy som finns hos molekylerna. Med andra ord, temperaturen är ingen egenskap som ämnet har utan den genomsnittliga kinetiska energi hos ämnets molekyer.

Den internationela system enheten för temperatur är kelvin (K). Sambanded mellan celsiustemperatur t och kelvintemperatur T är:

T=t+T0 där T0=273,15 K

Ideal gas

Ideal gas är en tänkta modell där gasmolekylerna (är så lilla att de) inte tar någon plats och inte påverkar varandra med krafter.

Absolut temperatur (absolut nollpukten)

Den lägsta tänkbara temperaturen av en ideal gas är den där all rörelse upphörde. Det är zero kelvin, den så kallade absolut nollpunkten.

Så vitt vi vet finns ingen temperatur lägre än 0 K, då alla partikler har en null kinetisk energi d.v.s. de inte rör sig alls. I verkligeten var den minsta rekortemperaturen registrerad i 2003 på MIT-universitet, det var 5*10-10 K.

Trotts att det finns en absolut nollpunkt det nog finns inte en absolut toppunkt. Den största temperatur skappad i laboratorium är ~4*1012 K (solen temperatur är 5778 K).

Temperaturmodell för en ideal gas

Den absoluta temperaturen T i en ideal gas bestäms av den genomsnittliga kinetiska energin Wk hos molekylerna i den gasen,

 W_{k}=\frac{3}{2}kT där  k=\frac{R}{N_A} = 1,38*10-23 J/K kallas Boltzmanns konstant och

  • R är gas konstant (8,314  \frac{J}{mol*K})
  • NA är Avogardos konstant (6.022*1023 mol−1)

Notera att i formeln ovanför står Wk inte för den kinetiska energi hos en enskild gasmolekyl utan för medelvärdet av den kinetiska energi för en stor mängd molekyler. Dessutom är temperaturen i en gas en kolektiv egenskap hos många molekyler, eftersom är meningslöst att säga att en enskild molekyl har X temperatur.

Tillståndslagen för ideala gaser

Det som vi kan observerka på ett makroskopisk nivå är de makroskopiska enheterna temperatur (T), tryck (p) och volym (V). Eftersom dessa storheter styrs av det som händer på mikroskopisk nivå finns det ett samband mellan den tredje. Eftersom tillståndet för en bestämdt mängd gas bestäms av temperaturen, trycket och volymen kallas de tredje enheterna tillståndsstorheter:

Mellan trycket p, volymen V och absoluta temperaturen T i en isolerad ideal gas gäller sambandet:

 \frac{pV}{T}=konstant

Notera att konstanten beror på vilken gas vi betraktar och hur stor gasmängd vi hanterar. Den blir store för en stor gasmängd än för en liten.

Den här modell stämmer mycket bra för verkliga gaser vid normala värden på tryck och temperatur eftersom medelavståndet mellan molekylerna är så stort att molekylkrafter för det mesta är mycket små. Vatten (t.ex.) tar ungefär 800x större plats som gas än som vätska.

Om den ideala gasen ävergår från begynnelsetillstånd (p1,V1,T1) till en sluttilstånd (p2,V2,T2), kan vi skriva tillståndlagen som:

 \frac{p_1 \cdot V_1}{T_1}=\frac{p_2 \cdot V_2}{T_2}

Vi säger att en gas är i normaltillståndet när den har trycket p0=101325 Pa och temperaturen T0=273,15K.

Boyles lag

Om en gas har konstant temperatur, kan vi skriva tillståndslagen som pV=konstant, eller

p1·V1=p2·V2 (när T konstant)

Värme

Inre energi

Den inre energi i ett ämne är summan av den inre kinetiska och potentiella energin hos molekylerna i ämnet:

Winre=Wki+Wpi

Det är i första hand den inre kinetiska energi som är knuten till temperaturen. Denna energi kallar vi termisk energi.

Värme är energi som överförs från ett system till ett annat system med lägre temperatur. Symbolen för värme är Q. Enheten för värme är joule (J). Värme kan spridas genom:

  • ledning (direkt kontakt mellan olika ämne)
  • strömning (i en vätska, den varma vätska stiger, den kalla vätska sjunker)
  • strålning (energi överföras med hjälp av den electromagnetiska vågar)

Värmekapacitet

Olika ämne har olika kapacitet att lagra inre energi. Det kallas specifik värmekapacitet och är specifik(konstant) för varje ämne. Den specifika värmekapaciteten talar om hur mycket värme vi måste tillföra 1 kg av ett ämne för att få en temperaturhöjning på 1°C.

Ett föremål tillförs värme så att temperaturstegringen blir Δt. Den energi som går åt är:

Q=c·m·Δt

där Q är den energi som krävs, m är föremålets massa och c är den specifika värmekapaciteten för ämnet.

Enheten för specifik värmekapacitet är J/(kg*K).

Ett föremål tillförs värme så att temperaturstegringen blir Δt. Den energi som går åt är:

Q=C·Δt, där C är värmekapaciteten för föremålet.

Enheten för värmekapacitet är J/K.

Smältvärme och ångbildningsvärme

När ett ämne ändrar tillståndsform måste det ta emot eller avge energi.

Den värmeenergi som går för att överföra massan m av ett ämne från fast form till vätska form med samma temperatur (dvs. konstant) är:

Q=ls·m där ls är ämnets smältvärme i J/kg.

Den värmeenergi som går för att överföra massan m av ett ämne från vätska till ånga med samma temepratur (dvs. konstant) är:

Q=lå·m där lå är ämnets ångbildningsvärme i J/kg.

Läs mer om värme och den specifika värmekapacitet här.

Energikvalitet

En energiform är högvärdig när en stor del av energin kan användas till nyttigt arbete. Då har energiformen en relativt låg entropi.

Ex: elektrisk energi.

En energiform är lågvärdig när bara en liten del av energin kan användas till nyttigt arbete. Då har energiformen en relativt hög entropi.

Ex: termisk energi.

När ett system innehåller energi som kan inte använda för att göra ett arbete, det kallar vi entropi/oordning. När vi omvandlar/använder energi, övergår alltid något av energin till en mer lägvärdig form, med andra ord övergår en mikroskopisk ordning i oordning. Därmed blir energikvaliteten lägre.

Termofysikens andra lag säger att den totala entropin, oordningen, i universum ökar, vilket gör att naturliga processer bara kan ske spontant i en riktning. Med andra ord:

  • när vi använder energi sjunker den totala energikvaliteten
  • i alla fysiskaliska processer ökar universums totala entropi

Hållbar utveckling

Förnybara energikällor ska uppfylla krav på att tillföra dagens behov av energi utan att äventyra kommande generationers möjligheter att tillföra sina behov. Detta brukar kallas hållbar utveckling.

Det finns flera olika sätt att lagra energi:

  • dammar för att lagra regn eller smältvatten
  • biomassa och energigrödor
  • batterier
  • väte (H) eller metan (CH4)
  • termisk lagring (t.ex: vatten uppvärmt av solen)

Andra källor: http://sv.wikipedia.org/wiki/Termodynamikens_huvudsatser

Om du tror att det artikel har hjälpt dig då, snälla du, gradera den här med en till fem stjärnor så att jag ska veta att du bryr om vad jag skriver.

 
The following two tabs change content below.
Termofysik: tryck,lyftkraft,temperatur,värme,värmekapacitet

Eugen Mihailescu

Founder/programmer/one-man-show at Cubique Software
Always looking to learn more about *nix world, about the fundamental concepts of math, physics, electronics. I am also passionate about programming, database and systems administration. 16+ yrs experience in software development, designing enterprise systems, IT support and troubleshooting.

2 thoughts on “Termofysik: tryck,lyftkraft,temperatur,värme,värmekapacitet

    1. Eugen Mihailescu Post author

      Hej Gabriel! Tack för din kommentar. Sanningen är att jag har studerat Svenska bara ett par månader och dessutom använder jag inte det i vardagsliv. Det mest lärde jag genom att läsa matte/fysik/kemi böcker och sen skriva ner ett slag sammanfattning på den här blog. Jag ska försöka läsa igen alla sidorna och rätta allt som blev fel. Men inte idag 😉

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Follow

Get every new post on this blog delivered to your Inbox.

Join other followers: