Introduktion Innehåller varm luft värme? Att “värma upp” något betyder inte nödvändigtvis att tillföra värme, bara att höja temperaturen. En cyckelpump blir varm när man använder den utan att man tillför värme! I detta kapitel fokuserar vi på en storskalig eller makroskopisk beskrivning. I nästa tittar vi på den mikroskopiska nivån. © 2016 Pearson Education Inc.

Temperatur och termodynamisk jämvikt Vi använder en termometer för att mäta temperatur. Exempel: Volymen av vätskan i en termometer ändrar sig med temperaturen. Två system är i thermodynamisk jämvikt om de har sama temperatur. © 2016 Pearson Education Inc.

Nollte huvudsatsen av termodynamiken Om system C är i termodynamisk jämvikt med både system A och B, då är A och B i termodynamisk jämvikt med varrandra. © 2016 Pearson Education Inc.

Olika temperaturenheter Grad Celsius : 0°C är fryspunkten och 100°C är kokpunkten (99.97°C vid 1 Atm tryck) av rent vatten. Grad Fahrenheit: 32°F är fryspunkten och 212°F är kokpunkten (211.9°F vid 1 Atm tryck) av rent vatten. Att konvertera från Celsius till Fahrenheit: Att konvertera från Fahrenheit till Celsius: © 2016 Pearson Education Inc.

© 2016 Pearson Education Inc.

Absolut noll Det finns en temperatur, −273.15°C, där trycket av en gas skulle bli noll. © 2016 Pearson Education Inc.

Fler temperaturenheter På Kelvinskalan (den absoluta temperaturskalan), är 0 K den temperaturen där en gas skulle ha trycket noll. Konvertering från Grad Celsius till Kelvin: © 2016 Pearson Education Inc.

Temperaturenheter Här ser man en grafisk sammanställning av temperaturenheterna Kelvin (K), Grad Celsius (°C), och Grad Fahrenheit (°F) avrundad till heltal. © 2016 Pearson Education Inc.

Linjär termisk expansion När man ökar temperaturen expanderar ex.vis en metallstav. För små temperaturändringar, ges längdändringen av: © 2016 Pearson Education Inc.

Än atomär förklaring för termisk expansion Vi tänker oss en fast kropp som ett gitter av atomer som hålls ihop av fjädror. När temperaturen höjs ökar avståndet mellan atomerna och därmed även den makroskopiska storleken. © 2016 Pearson Education Inc.

En atomär förklaring för termisk expansion Den potentiella energin av atombindningen som en function av avståndet mellan två atomer är inte symmetrisk. När svängningsenergin ökar och atomerna oscillerar med större amplityd, ökar även medelavståndet mellan atomerna. © 2016 Pearson Education Inc.

Vad händer med hålet när metallbiten expanderar? 1 2 3 Answer: A

Volymsexpansion och hål Vad händer med hålet när metallbiten expanderar? © 2016 Pearson Education Inc.

Volymsexpansion och linjär expansion ΔL =α L ΔT Volymsexpansion: ΔV = β V ΔT Vad är sambandet mellan α och β? © 2016 Pearson Education Inc.

Volymsändringen blir då: Om temperaturen av en fast, tegelstenformad kropp ökar med ∆T, ökar längden av en sida med 0.010% = 1.0 x10–4 av originallängden. Volymsändringen blir då: A. 0.010 % = 1.0 x10–4 av originalvolymen B. (0.010)3 % = 0.0000010% = 1.0 x10–8 av originalvolymen C. (1.0 x10–4)3 = 1.0 x10–12 av originalvolymen D. 0.030% = 3.0 x10–4 av originalvolymen E. Jag behöver mer information. Answer: D

Volymsändringen blir då: Om temperaturen av en fast, tegelstenformad kropp ökar med ∆T, ökar längden av en sida med 0.010% = 1.0 x10–4 av originallängden. Volymsändringen blir då: A. 0.010 % = 1.0 x10–4 av originalvolymen B. (0.010)3 % = 0.0000010% = 1.0 x10–8 av originalvolymen C. (1.0 x10–4)3 = 1.0 x10–12 av originalvolymen D. 0.030% = 3.0 x10–4 av originalvolymen E. Jag behöver mer information. Answer: D β = 3 α

Table 17.1: Coefficients of linear expansion © 2016 Pearson Education Inc.

Table 17.2: Coefficients of volume expansion © 2016 Pearson Education Inc.

Termisk expansion av vatten Mellan 0°C och 4°C minskar vattnets volym med ökande temperatur. På grund av denna “anomali” fryser vattnet först på ytan och sjöar kan hålla sig flytande under isen hela vintern. © 2016 Pearson Education Inc.

Värmemängd Sir James Joule (1818–1889) studerade hur vatten kan värmas upp genom att röra om. © 2016 Pearson Education Inc.

Värmemängd Samma temperaturändring kan man även åstadkomma med direkt uppvärmning. En kalori (cal) är värmemängden som behövs för att höja temperaturen av 1 gram vatten från 14.5°C till 15.5°C. 1 matkalori (Cal) är 1 kcal Vi använder J som enhet! © 2016 Pearson Education Inc.

Specifik värmekapacitet Värmemängden (energin) Q som behövs för att höja temperaturen av något av massa m med ΔT är: Den specifika värmekapaciteten c har olika värden för olika material. Den specifika värmekapaciteten för vatten är ca. 4190 J/kg ∙ K. © 2016 Pearson Education Inc.

Molär värmekapacitet Värmemängden (energin) Q som behövs för att höja temperaturen av n mol av en substans med ΔT är: Den molära värmekapaciteten C har olika värden för olika material. Den molära värmekapaciteten för vatten är ca. 75.4 J/mol ∙ K. © 2016 Pearson Education Inc.

Table 17.3: Specific heats and molar heat capacities © 2016 Pearson Education Inc.

Fasövergångar Faserna (tillstyånd) av materia är fast, flytande och gas. Temperaturen ändras inte i en fasövergång. “Fasövergångsvärmen” (latent heat), L, är värmen per massa som måste tillföras eller bortföras för att åstadkomma en fasöverrgång. © 2016 Pearson Education Inc.

Värme tillförs med konstant effekt © 2016 Pearson Education Inc.

Smältvärme (heat of fusion) Gallium smälter vid rumstemperatur. Smälttemperaturen är 29.8°C, smältvärmen är Lf = 8.04 × 104 J/kg. På vintern blir det varmare när vattnet i molnen blir till snö. © 2016 Pearson Education Inc.

Förångningsvärme När vatten förångas från huden tas förångsningsvärmen från kroppen. Ju snabbare ångan transporteras bort desto snabbare är nerkylningen…. Luften upplevs kallare när det blåser. Vatten har en kylande effekt. På sommaren är det svalare vid vattnet. På vintern är det varmare på grund av vattnets höga värmekapacitet. © 2016 Pearson Education Inc.

Mekanismer av värmeöverföring Värme flöder från högre till lägre temperatur genom tre mechanismer: värmeledning, konvektion och strålning. Ledning viktigast i fasta ämnen som men även i vätskor. Konvektion är beroende på materietransport. Bara I vätskor och gaser. Strålning är värmetransport med hjälp av elektromagnetiska vågor (infraröd, synlig ljus, UV-ljus, ..). Enda sättet som fungerar utan direkt kontakt. © 2016 Pearson Education Inc.

Värmeledning Värme flöder från hög till låg temperatur. Ta som exempel en stav av värmeledande material med tvärsnittsarea A och längd L. Ena änden av staven hålls vid konstant temperatur TH och andra änden vid den lägre temperaturen TC. Värmetransportseffekten blir då: © 2016 Pearson Education Inc.

Thermal conductivities of some common substances k (W/m ∙ K) Silver 406 Copper 385 Aluminum 205 Wood 0.12 – 0.04 Concrete 0.8 Fiberglass 0.04 Styrofoam 0.027 © 2016 Pearson Education Inc.

Vad blir temperaturfördelningen i staven? © 2016 Pearson Education Inc.

Värmeresistans För, till exempel, husväggar med isolering används värmeresistansen R. 𝐻= 𝑘 𝐴 𝐿 𝑇 𝐻 − 𝑇 𝐶 𝐻= 𝐴 𝑅 𝑇 𝐻 − 𝑇 𝐶 𝑅= 𝐿 𝑘 R är additiv för flera skikt som ligger i direkt kontakt. © 2016 Pearson Education Inc.

Konvektion Konvektion är värmetransport med hjälp av materietransport i vätskor och gaser. Bilden visar konvektion i vatten. © 2016 Pearson Education Inc.

Värmestrålning Värmestrålning är värmetransport med hjälp av elektromagnetiska vågor som synlig ljus eller infraröd. Emission är beroende av temperaturen enligt Stefan-Boltzmann formeln: Värmestrålningseffekten ges av: © 2016 Pearson Education Inc.

Emission och absorption Om ett föremål har temperaturen T och omgivningen har temperaturen Ts, blir det totala värmeflödet pga strålning: 𝐻 𝑛𝑒𝑡 =𝐴 𝑒 σ ( 𝑇 4 − 𝑇 𝑠 4 ) 𝑇 𝑠 𝑇 Detta gäller för att absorption och emission är lika stora vid samma temperatur. Annars skulle det inte bli jämvikt om föremålet och omgivningen har samma temperatur. © 2016 Pearson Education Inc.