PHYS-A0120 - Termodynamiikka (TFM), Luento-opetus, 24.10.2022-2.12.2022

Topic outline

• Luennot ja esitehtävät
  Kurssi perustuu suurelta osin luennoitsijan omaan materiaaliin. Näiden tueksi käytetää Yliopistofysiikan perusteet-kurssilta tuttua Hugh D. Youngin ja Roger A. Freedmanin teosta University Physics with Modern Physics (15. painos). Lisäksi hyvänä oheislukemistona koko kurssille on ilmaisena e-kirjana käytössä oleva Blundell & Blundell, Concepts in Thermal Physics (kts. sivu Lisämateriaalia).
  

  Tältä sivulta löydät kunkin viikon lyhyen kuvauksen, viikon esitehtävät, luentomateriaalit sekä käsiteltävään asiaan liittyvät Young & Freedmanin (YF) ja Blundellin & Blundellin (BB) viikon aiheita tukevat luvut/kappaleet. Huomaa lisäksi oppimistasi ohjaamaan laadittu lista kunkin viikon yksityiskohtaisemmista tavoitteista Osaamistavoitteet -sivulla.

  • Select activity Viikko 1: lämpö ja lämpötila (24.-28.10.)Kurssin e...

    Viikko 1: lämpö ja lämpötila (24.-28.10.)
    

    Kurssin ensimmäisellä viikolla perehdymme termodynamiikkaan fysiikan osa-alueena, sen perusteisiin sekä sen keskeisiin käsitteisiin lämpötila ja lämpö. [YF 17.1-3, 17.5-6, 18.1-2 sekä BB 1.1-1.3, 2, 4.1-4.2]
    

  • Select activity Viikon 1 luentomateriaali

    

    Viikon 1 luentomateriaali File PDF
  • Select activity Viikko 2: työ ja termodynamiikan 1. pääsääntö (31....

    Viikko 2: työ ja termodynamiikan 1. pääsääntö (31.10.-4.11.)
    

    Aloitamme kurssin toisen viikon tarkastelemalla toista tapaa muuttaa systeemin sisäenergiaa: työtä. Tämän jälkeen muotoilemme termodynamiikan 1. pääsäännön ja tutkimme ideaalikaasun ominaisuuksia. Teemme myös pienen kurkistuksen mikroskooppiseen maailmaan ja selvitämme mistä kaasujen ominaislämmöt oikein saavat tietyt arvonsa. [YF 19, 18.4; BB 11 ja 12]
    

  • Select activity Viikon 2 luentomateriaali

    

    Viikon 2 luentomateriaali File PDF
  • Select activity Hieman statistista fysiikkaa ideaalikaasujen ominaislämmöstä

    

    Hieman statistista fysiikkaa ideaalikaasujen ominaislämmöstä File PDF
  • Select activity Viikko 3: lämpövoimakoneet ja termodynamiikan 2. p...

    Viikko 3: lämpövoimakoneet ja termodynamiikan 2. pääsääntö  (7.-11.11.)
    

    Kolmannella viikolla suuntaamme yleiseen termodynaamisten kiertoprosessien sekä erityisesti lämpövoimakoneiden tarkasteluun. Tässä yhteydessä vastaan tulee yksi kurssin tärkeimmistä aiheista eli termodynamiikan 2. pääsääntö. [YF 20.1-20.6; BB 13.1-13.6 ]
    

  • Select activity Viikon 3 luentomateriaali

    

    Viikon 3 luentomateriaali File PDF
  • Select activity Viikko 4: entropia (14.-18.11)Olemme käsitelleet t...

    Viikko 4: entropia (14.-18.11)

    Olemme käsitelleet termodynamiikan keskeistä suuretta sisäenergiaa ja eri tapoja muuttaa sitä systeemin ja ympäristön välisissä prosesseissa. Tällä viikolla tutustumme termodynamiikan toiseen keskeiseen suureeseen, entropiaan. Aloitamme johtamalla klassisen termodynamiikan määritelmän entropian muutokselle ja siten matemaattisen muodon toiselle pääsäännölle. Tämän jälkeen lähestymme entropiaa mikroskooppisesta näkökulmasta ja annamme sille selkeän fysikaalisen tulkinnan. [YF 20.7-20.8; BB 4.1-4.6, 13.7, 14.1-14.6]
    

  • Select activity Viikon 4 luentomateriaali

    

    Viikon 4 luentomateriaali File PDF
  • Select activity Entropian muutos

    

    Entropian muutos File PDF

    Vaihtoehtoinen tapa määritellä tilanfunktio entropian muutos (kirjasta Zemansky & Dittman, Heat and Thermodynamics, 8. painos).
    

  • Select activity Viikko 5 (21.-25.11.)Palaamme termodynaamisen tasa...

    Viikko 5 (21.-25.11.)

    Palaamme termodynaamisen tasapainon ehtoihin sekä määrittelemme termodynaamisen potentiaalin käsitteen. Erityisesti tarkastelemme Helmholtzin ja Gibbsin funktioita, jotka ovat fysiikassa hyvin yleisiä termodynaamisia potentiaaleja. [BB 16, 17]

    
    

  • Select activity Viikon 5 luentomateriaali

    

    Viikon 5 luentomateriaali File PDF
  • Select activity Esimerkkejä Gibbsin funktiosta

    

    Esimerkkejä Gibbsin funktiosta File PDF
  • Select activity Viikko 6 (28.11.-2.12.)Kurssin viimeisillä luennoi...

    Viikko 6 (28.11.-2.12.)

    Kurssin viimeisillä luennoilla tarkastelemme yksinkertaisten termodynaamisten systeemien faasikäyttäytymistä tilanyhtälön ja erilaisten termodynaamisten diagrammien (pV, pT ja pVT) avulla. [YF  luku 18.1-2,6 ; BB 28.1-3]
    

    
    

  • Select activity Viikon 6 luentomateriaali

    

    Viikon 6 luentomateriaali File PDF
  • Select activity Aiempien viikkojen esitehtävät

    Aiempien viikkojen esitehtävät
    

    
    

  • Select activity Esitehtävä 1.1

    Not available unless: You belong to L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 1.1 Quiz

    Mikä tekee tarkastellusta ongelmasta tai käsittelystä termodynaamisen?
    

    Palautus viimeistään maanantaina 24.10. klo 12.00.
    

  • Select activity Esitehtävä 1.2

    Not available unless: You belong to L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 1.2 Quiz

    Erilaisia lämpömittareissa käytettäviä termometrisiä ominaisuuksia.
    

    Palautus viimeistään keskiviikkona 26.10. klo 12.00.
    

  • Select activity Esitehtävä 2.1

    Not available unless: You belong to L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 2.1 Quiz

    Työ ja lämpö - samankaltaisuudet ja erot.

    Palautus viimeistään maanantaina 31.10. klo 12.00.
    

  • Select activity Esitehtävä 2.2

    Not available unless: You belong to L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 2.2 Quiz

    Tutustu Youngin & Freedmanin kappaleeseen 18.4, erityisesti kohtaan Heat Capacities of Gases (vaihtoehtoisesti Blundell & Blundell 19.2). Vastaa sitten annettuun kysymykseen kaasujen molaarisesta ominaislämmöstä vakiotilavuudessa ($c_V$).
    

  • Select activity Esitehtävä 3.1

    Not available unless: You belong to L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 3.1 Quiz

    Viikon 2 luennoilla tarkastelimme termodynaamista työtä mm. säiliössä olevan kaasun puristuksessa ja laajenemisessa. Tällöin oletimme, että kaasun tilavuuden muutokset mahdollistava mäntä liikkui kitkattomasti. Pohditaan nyt, miten kitka vaikuttaisi kyseisessä tapauksessa tehtyyn työhön, ja miten päättelymme tulos vertautuu aiemmin esitettyyn epäyhtälöön $dW \geq -pdV$.
    

    
    

  • Select activity Esitehtävä 3.2

    Not available unless: You belong to L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 3.2 Quiz

    Carnot'n syklillä on hyvin erityinen paikka termodynamiikan teoriassa. Tutustutaan tähän kiertoprosessiin jo hieman ennen keskiviikon luentoa (YF 20.6, BB 13.2). Kuvaile lyhyesti Carnot'n syklin osaprosessit. Miten juuri nämä nimenomaiset prosessit vaikuttavat kiertoprosessissa siirtyneeseen lämpöön, tehtyyn työhön ja täten sen hyötysuhteeseen? Toisin sanoen, miksi Carnot päätteli juuri tämän syklin antavan optimaalisen hyötysuhteen kahden lämpövarannon välillä toimivalle lämpövoimakoneelle?
    

  • Select activity Esitehtävä 4.1

    Not available unless: You belong to L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 4.1 Quiz

    Oma tämänhetkinen käsityksesi fysiikan suureesta entropia.
    

  • Select activity Esitehtävä 4.2

    Not available unless: You belong to L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 4.2 Quiz

    Entropia ja epäjärjestys/satunnaisuus.
    

  • Select activity Esitehtävä 5.1

    Not available unless: You belong to L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 5.1 Quiz

    Systeemin termodynaaminen tasapainottuminen.
    

  • Select activity Esitehtävä 5.2

    Not available unless: You belong to L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 5.2 Quiz

    Systeemin ja ympäristön välinen termodynaaminen tasapaino aineen vaihdossa.
    

  • Select activity Esitehtävä 6.1

    Not available unless: You belong to L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 6.1 Quiz

    Tämä on kurssin viimeinen esitehtävä.

    Faasikuvaajan tarkastelua (YF 18.6).