Termodynamika

Tekst wydania trzeciego został poprawiony i uzupełniony o zasady zapisu tensorów w symbolice kreskowej Gibbsa i wskaźnikowej Shoutena. Zdefiniowano zapis mnożenia skalarnego i diadowego dwóch wektorów, tensor jednostkowy drugiego rzędu, symbol Levi-Civity (triadyka alternująca), wektor gradientu skalara, tensor drugiego rzędu gradientu wektora, skalar dywergencji wektora, wektor dywergencji tensora drugiego rzędu. Poszerzono podręcznik o dwa nowe rozdziały 16.40 oraz 16.41. W rozdziale 16.40 omówiono termodynamikę ośrodków dielektrycznych i magnetycznych, zaś w rozdziale 16.41 zjawisko magnetokaloryczne w substancjach paramagnetycznych.

Spis treści
Przedmowa do wydania I / 10
Przedmowa do wydania II / 11
Przedmowa do wydania III / 12
Przedmowa do wydania IV / 13
Wykaz ważniejszych oznaczeń 14

1. Wiadomości wstępne / 17
1.1. Fenomenologiczny opis materii / 17
1.2. Wielkości ekstensywne (WE) / 19
1.3. Kryteria istnienia granicy pozornej / 19
1.4. Gęstość zasobów wielkości substancjalnych (WS) oraz wielkości komponencjalnych (WK) / 21
1.5. Prędkość substancjalna i komponencjalna / 23
1.6. Wielkości intensywne (WI) / 25
1.7. Pęd cieplny i energia kinetyczna zbioru cząsteczek substancji / 25
1.8. Klasyfikacja energii / 26
1.9. Wielkości referencjalne / 27
1.10. Obszar substancjalny, niesubstancjalny oraz komponencjalny / 28
1.11. Zasady zapisu tensorów w symbolice kreskowej Gibbsa i wskaźnikowej Shoutena 30
1.12. Różniczka i pochodna referencjalna wielkości polowej / 40
1.13. Pochodna substancjalna i komponencjalna skalarnych i wektorowych wielkości polowych / 43
1.14. Kryteria istnienia pól stacjonarnych i jednorodnych / 44
1.15. Zastosowanie jakobianów w termodynamice / 45
1.15.1. Analiza właściwości jakobianów / 45
1.15.2. Tożsamości termodynamiczne / 49
1.16. Określenie rzędu elementarnych przyrostów zasobu objętości i zasobu masy w układzie / 51

2. Zerowa zasada termodynamiki / 55
2.1. Parametry stanu i funkcje stanu / 55
2.2. Układ, faza układu, równowaga i odwracalność termodynamiczna / 55
2.3. Procesy kwazistatyczne w termodynamice / 57
2.4. Osłona, adiabatyczna i diatermiczna / 57
2.5. Temperatura układu / 58
2.6. Ciśnienie w układzie / 58
2.7. Sformułowanie zerowej zasady termodynamiki / 62

3. Gazy doskonałe, półdoskonałe i rzeczywiste / 63
3.1. Model gazu doskonałego / 63
3.2. Termiczne współczynniki rozszerzalności i prężności oraz izotermiczny współczynnik ściśliwości 63
3.3. Prawo izobary Gay-Lussaca / 64
3.4. Prawo izochory Charlesa / 66
3.5. Prawo izotermy Boyle’a-Mariotte’a / 67
3.6. Równanie stanu gazu doskonałego Clapeyrona. Indywidualna stała gazowa / 68
3.7. Prawo Avogadra. Liczba Avogadra / 70
3.8. Molowa gęstość zasobu objętości. Uniwersalna stała gazowa / 70
3.9. Pojemność cieplna substancji / 73
3.10. Gazy półdoskonałe / 74
3.11. Gazy rzeczywiste / 74
3.12. Prawo stanów odpowiadających sobie / 77
3.13. Skala temperatury termometru gazowego / 79
3.14. Równanie stanu gazu rzeczywistego van der Waalsa / 81
3.15. Równanie stanu gazu rzeczywistego Berthelota / 86
3.16. Równanie stanu gazu rzeczywistego Dietericiego / 87

4. Termodynamika fazy gazowej wieloskładnikowej / 89
4.1. Objętościowe gęstości zasobu ilości moli oraz masy mieszaniny / 89
4.2. Objętościowe gęstości zasobu ilości moli oraz masy składnika mieszaniny / 90
4.3. Koncentracja składnika mieszaniny / 91
4.4. Molowa koncentracja składnika mieszaniny / 91
4.5. Prawo Daltona / 93
4.6. Ciśnienie składnika mieszaniny / 93
4.7. Ułamek molowy składnika mieszaniny / 93
4.8. Udział masowy składnika mieszaniny / 94
4.9. Parcjalna gęstość zasobu objętości / 95
4.10. Masowa gęstość zasobu objętości składnika mieszaniny / 99
4.11. Udział objętościowy składnika mieszaniny / 100
4.12. Gęstość strumienia dyfuzji / 101
4.13. Równanie ciągłości dyfuzji / 103

5. Pierwsza zasada termodynamiki / 106
5.1. Klasyfikacja transportu energii / 106
5.2. Ciepło / 107
5.3. Praca / 107
5.3.1. Równanie Pfaffa / 108
5.3.2. Praca bezwzględna objętościowa / 110
5.3.3. Praca uogólniona / 113
5.3.4. Praca uogólniona zewnętrzna / 114
5.3.5. Praca uogólniona wewnętrzna / 114
5.3.6. Praca tarcia / 114
5.3.7. Praca elementarna / 115
5.3.8. Praca techniczna / 115
5.3.9. Masowe gęstości ilości pracy elementarnej, bezwzględnej objętościowej, uogólnionej i technicznej / 116
5.3.10. Mechaniczny równoważnik ciepła i cieplny równoważnik pracy / 118
5.4. Energia wewnętrzna / 120
5.5. Aksjomat bilansowy dla wielkości ekstensywnych (WE) / 121
5.6. Bilans podstawowy dla wielkości ekstensywnych (WE) / 122
5.7. Substancjalny bilans zasobu energii wewnętrznej (EW) dla wielkości ekstensywnych (WE) / 124
5.8. Sformułowanie pierwszej zasady termodynamiki dla wielkości ekstensywnych (WE) / 129
5.9. Bilans energii wewnętrznej (EW) w punkcie substancjalnym / 130
5.10. Sformułowanie równania pierwszej zasady termodynamiki dla wielkości intensywnych (WI) / 139
5.11. Funkcje termodynamiczne entalpii oraz entalpii uogólnionej / 140
5.12. Uogólniony bilans zasobu energii wewnętrznej dla układu otwartego / 142
5.13. Sformułowanie równania pierwszej zasady termodynamiki dla układu otwartego / 145

6. Druga zasada termodynamiki i jej konsekwencje / 146
6.1. Przemiany nierównowagowe / 146
6.2. Entropia. Sformułowanie drugiej zasady termodynamiki / 147
6.3. Statystyczna interpretacja entropii / 152
6.4. Uogólnione ciepło właściwe substancji / 158
6.5. Równanie Gibbsa 160
6.6. Funkcja jednorodna. Tożsamość Eulera / 162
6.7. Funkcja termodynamiczna entalpii swobodnej oraz uogólnionej entalpii swobodneja / 163
6.8. Funkcja termodynamiczna energii swobodnej / 166
6.9. Termodynamiczne kryteria równowagi / 167
6.10. Uogólniony izobaryczno-izotermiczny potencjał termodynamiczny / 171
6.11. Warunki równowagi w układzie izolowanym / 175
6.12. Potencjał chemiczny. Potencjał elektrochemiczny / 178
6.13. Równanie Gibbsa-Duhema / 183
6.14. Uogólnione termodynamiczne równania Maxwella / 183
6.15. Różnica między ciepłami właściwymi przy stałej sile i przy stałej współrzędnej uogólnionej. Równanie Meyera / 186
6.16. Równania ciepła z uwzględnieniem drugiej zasady termodynamiki / 188
6.17. Prawo Joule’a / 189
6.18. Energia wewnętrzna układu substancjalnego oddziałującego z otoczeniem w przemianie izochorycznej / 192

7. Podstawowe funkcje termodynamiczne gazów doskonałych i półdoskonałych / 194
7.1. Energia wewnętrzna gazu doskonałego i półdoskonałego / 194
7.2. Entalpia gazu doskonałego i półdoskonałego / 195
7.3. Entropia gazu doskonałego i półdoskonałego / 196

8. Przemiany termodynamiczne / 199
8.1. Przemiana izochoryczna / 199
8.2. Przemiana izobaryczna / 201
8.3. Przemiana izotermiczna / 203
8.4. Przemiana izentropowa (adiabata odwracalna) / 205
8.5. Przemiana politropowa / 207
8.6. Przemiany gazu doskonałego w układach otwartych / 211
8.6.1. Napełnianie zbiornika / 211
8.6.2. Opróżnianie zbiornika / 214
8.6.3. Ogrzewanie gazu w zbiorniku otwartym / 215

9. Analiza funkcji termodynamicznych gazów rzeczywistych / 218
9.1. Ciepło właściwe gazu rzeczywistego przy stałej objętości / 218
9.2. Ciepło właściwe gazu rzeczywistego przy stałym ciśnieniu / 219
9.3. Funkcja termodynamiczna energii wewnętrznej gazów rzeczywistych / 221
9.4. Funkcja termodynamiczna entalpii gazów rzeczywistych / 222
9.5. Funkcja termodynamiczna entropii gazów rzeczywistych / 224
9.6. Zjawisko Joule’a-Gay-Lussaca / 225
9.7. Zjawisko Joule’a-Thomsona / 227
9.8. Efekt zjawiska Joule’a-Thomsona / 229
9.9. Ciepło neutralizacji całkowitego efektu zjawiska Joule’a-Thomsona / 234
9.10. Skraplanie gazów / 237

10. Para / 242
10.1. Proces izobarycznego parowania / 242
10.2. Ciepło przemiany fazowej parowania / 245
10.3. Ciepło przemiany fazowej sublimacji / 247
10.4. Równanie Clausiusa-Clapeyrona / 248
10.5. Stopień suchości pary mokrej / 249

11. Gazy wilgotne. Powstawanie gazu wilgotnego / 251

12. Obiegi termodynamiczne / 255
12.1. Model doskonałej tłokowej maszyny przepływowej / 257
12.2. Praca indykatorowa i wykresowa / 258
12.3. Praca wewnętrzna (internijna) / 259
12.4. Praca efektywna / 259
12.5. Lokalne równanie zasobu entalpii dla urządzeń przepływowych / 260
12.6. Praca odwracalnego obiegu prawo- i lewobieżnego / 264
12.7. Praca nieodwracalnego obiegu prawo- i lewobieżnego / 265
12.8. Bilanse zasobu entalpii dla nieodwracalnych obiegów prawo i lewobieżnycho ustalonych strumieniach przepływu czynnika / 266
12.9. Sprawność termiczna obiegu prawobieżnego / 270
12.10. Sprawność termiczna obiegu lewobieżnego / 270
12.11. Odwracalny obieg Carnota / 272
12.12. Teoremat Carnota / 273
12.13. Termodynamiczna skala temperatury Kelvina / 275
12.14. Obieg porównawczy Otta / 277
12.15. Obieg porównawczy Diesla / 279
12.16. Obieg porównawczy Sabathégo / 280
12.17. Obieg porównawczy Joule’a / 281
12.18. Sprawności i moce silników spalinowych / 284
12.19. Sprężarki tłokowe / 288
13. Przemiany fazowe / 292
13.1. Reguła faz Gibbsa / 295
13.2. Przemiany fazowe pierwszego i drugiego rodzaju / 295
13.3. Termodynamika przemian fazowych / 299
14. Trzecia zasada termodynamiki / 302
14.1. Równanie Gibbsa-Helmholtza / 302
14.2. Całka równania Gibbsa-Helmholtza / 304
14.3. Teoremat Nernsta / 305
14.4. Sformułowanie trzeciej zasady termodynamiki / 307
14.5. Konsekwencje trzeciej zasady termodynamiki / 308

15. Kinetyczna teoria gazów / 309
15.1. Kinetyczna teoria ciśnienia gazu / 310
15.2. Porównanie praw gazu doskonałego z wynikami kinetycznej teorii gazów / 319
15.3. Ekwipartycja energii / 323
15.4. Rozkład prędkości Maxwella / 324
15.4.1. Przestrzeń prędkości / 324
15.4.2. Zderzenia sprężyste cząsteczek / 329
15.4.3. Obliczenie stałych i funkcji objętościowej gęstości zasobu ilości cząsteczek gazu o zasobie energii / 331
15.4.4. Rozkład zasobu ilości cząsteczek w funkcji modułów ich prędkości / 335
15.5. Prędkość średnia i prędkość średniej kwadratów prędkości / 339
15.6. Prędkość najbardziej prawdopodobna / 340
15.7. S´ rednia droga swobodna / 341
15.8. Prawdopodobieństwo przebycia drogi swobodnej przez cząsteczkę / 344
15.9. Częstość zderzeń cząsteczek / 345
15.10. Gęstość strumienia wymiany ilości cząsteczek gazu / 346
15.11. Efuzja molekularna / 348
15.12. Gęstość strumienia wymiany ilości cząsteczek pary / 350
15.13. Współczynniki w zjawiskach transportu / 351

16. Kinetyczna teoria promieniowania / 359
16.1. Pudło izotermiczne / 359
16.2. Zasób ilości oscylatorów promieniowania w pudle izotermicznym / 359
16.3. Objętościowa gęstość zasobu ilości oscylatorów promieniowania / 361
16.4. Funkcja rozkładu widmowego objętościowej gęstości zasobu ilości oscylatorów promieniowania / 363
16.5. Funkcja rozkładu widmowego objętościowej gęstości zasobu energii promieniowania w ujęciu klasycznym / 364
16.6. Funkcja rozkładu widmowego objętościowej gęstości zasobu energii promieniowania według Wiena / 366
16.7. Zasób energii promieniowania oscylatora w przedziale całego pola dozwolonych
poziomów energetycznych (kwantowa hipoteza Plancka) / 367
16.8. Funkcja rozkładu widmowego objętościowej gęstości zasobu energii promieniowania w ujęciu Plancka / 371
16.9. Objętościowa gęstość zasobu energii promieniowania w ujęciu Plancka / 373
16.10. Funkcja rozkładu widmowego wektora gęstości strumienia wymiany energii promieniowania / 374
16.11. Wektor gęstości strumienia wymiany energii promieniowania. Prawo promieniowania Stefana-Boltzmanna / 376
16.12. Prawo przesunięć Wiena / 377
16.13. Ciśnienie promieniowania / 378
16.14. Określenie objętościowej gęstości zasobu energii promieniowania przy wykorzy-
staniu pierwszej i drugiej zasady termodynamiki / 379
16.15. Adiabatyczne rozprężanie promieniowania / 381
16.16. Teoria Debye’a ciepła właściwego ciał stałych / 382
16.17. Elektronowe ciepło właściwe / 385
16.18. Inwersja obsadzeń / 385
16.19. Mechanika atomów i cząstek / 390
16.20. Równanie falowe Schrödingera we współrzędnych prostokątnych / 397
16.21. Wartości oczekiwane / 407
16.22. Równanie falowe Schrödingera we współrzędnych sferycznych / 411
16.23. Orbitalny moment pędu / 417
16.24. Studnia potencjału o skończonej głębokości / 424
16.25. Zjawisko tunelowe / 429
16.26. Kwantowy oscylator harmoniczny / 433
16.27. Energia translacyjna, rotacyjna i oscylacyjna cząsteczki / 438
16.28. Energia zbioru cząsteczek w ujęciu molekularnym / 447
16.29. Nierozróżnialność i statystyka kwantowa / 460
16.30. Rozkłady statystyczne / 468
16.30.1. Rozkład mikrokanoniczny / 470
16.30.2. Rozkład kanoniczny / 472
16.30.3. Wielki rozkład kanoniczny / 477
16.30.4. Zespół statystyczny / 481
16.30.5. Hipoteza ergodyczna Boltzmanna / 482
16.31. Statystyki kwantowe Fermiego-Diraca oraz Bosego-Einsteina / 484
16.32. Zastosowanie rozkładu Boltzmanna do przybliżenia rozkładów kwantowych / 489
16.33. Termodynamika lasera / 491
16.34. Gaz fotonowy i fononowy / 497
16.35. Kondensacja Bosego. Funkcja gęstości stanów / 497
16.36. Ciekły hel / 502
16.37. Gaz elektronów swobodnych / 503
16.38. Emisja termoelektronowa równanie Richardsona / 505
16.39. Potencjał kontaktowy / 509
16.40. Termodynamika ośrodków dielektrycznych i magnetycznych / 511
16.41 Zjawisko magnetokaloryczne w substancjach paramagnetycznych / 526

17. Wymiana ciepła w procesie promieniowania / 530
17.1. Analiza promieniowania / 530
17.1.1. Bilans zasobu energii promieniowania / 530
17.1.2. Strumień emisji energii promieniowania / 532
17.1.3. Wektor gęstości strumienia emisji energii promieniowania / 532
17.1.4. Funkcja rozkładu widmowego wektora gęstości strumienia emisji energii promieniowania / 532
17.1.5. Wektor gęstości strumienia ukierunkowanej emisji energii promieniowania (intensywność lub światłość promieniowania) / 533
17.1.6. Funkcja rozkładu widmowego wektora gęstości strumienia ukierunkowanej emisji energii promieniowania (monochromatyczna intensywność lub monochromatyczna światłość promieniowania) / 534
17.2. Synteza promieniowania / 534
17.3. Emisyjność. Prawo Lamberta / 536
17.4. Bilans zasobu energii promieniowania monochromatycznego dla ciał nieprzeźroczystych. Prawo Kirchhoffa / 543
17.5. Wymiana ciepła pomiędzy promieniującymi powierzchniami / 546
17.6. Promieniowanie substancji częściowo przeźroczystych / 551
17.6.1. Bilans strumienia emisji energii promieniowania dla ośrodka częściowo przeźroczystego / 551
17.6.2. Strumienie emisji oraz wymiany energii promieniowania / 554

18. Wymiana ciepła w procesie przewodzenia / 556
18.1. Równanie Fouriera-Kirchhoffa / 556
18.2. Równanie przewodnictwa cieplnego / 559
18.3. Warunki brzegowe dla wymiany ciepła z otoczeniem / 563
18.4. Ciepło akumulacji i temperatura średnia / 566
19. Wymiana ciepła przez unoszenie / 575
19.1. Prawo Newtona przejmowania ciepła / 575
19.2. Konwekcja wymuszona / 577
19.3. Konwekcja swobodna / 581

20. Złożona wymiana ciepła / 585

21. Termodynamika stanów nierównowagowych / 589
21.1. Referencjalny bilans objętościowej gęstości zasobu entropii / 589
21.2. Klasyczne i lokalne ujęcie drugiej zasady termodynamiki / 592
21.3. Źródło entropii / 595
21.4. Termodynamika procesów nieodwracalnych / 598
21.5. Liniowe równania fenomenologiczne / 600
21.6. Efekty krzyżowe i zasada Curie / 601
21.7. Z´ ródło entropii jako kwadratowa funkcja bodźców termodynamicznych / 601
21.8. Stany stacjonarne według Prigogine’a / 604
21.9. Teoria fluktuacji / 606
21.10. Zasada mikroskopowej odwracalności / 610
21.11. Czwarta zasada termodynamiki Onsagera i założenia dotyczące prawa zaniku fluktuacji / 612
21.12. Liniowa nieosobliwa transformacja przepływów i bodźców termodynamicznych 613
21.13. Ewolucja produkcji źródła entropii w czasie / 617
21.14. Równoważność definicji stanów stacjonarnych według Prigogine’a i fenomenologicznej / 619
21.15. Trwałość stanów stacjonarnych / 620
21.16. Wyznaczanie źródła entropii / 622

Dodatek A. Rozkład Boltzmanna / 624
Dodatek B. Operatory momentu pędu we współrzędnych sferycznych / 630
Stałe fizyczne / 635
Alfabet grecki / 636
Wielokrotności i podwielokrotności jednostek miar / 636
Bibliografia/ 637

Informacje o bezpieczeństwie produktu Informacje o producencie