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

Översikt

• 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.

  • Välj aktivitet 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]
    

  • Välj aktivitet Viikon 1 luentomateriaali

    

    Viikon 1 luentomateriaali Fil PDF
  • Välj aktivitet 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]
    

  • Välj aktivitet Viikon 2 luentomateriaali

    

    Viikon 2 luentomateriaali Fil PDF
  • Välj aktivitet Hieman statistista fysiikkaa ideaalikaasujen ominaislämmöstä

    

    Hieman statistista fysiikkaa ideaalikaasujen ominaislämmöstä Fil PDF
  • Välj aktivitet 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 ]
    

  • Välj aktivitet Viikon 3 luentomateriaali

    

    Viikon 3 luentomateriaali Fil PDF
  • Välj aktivitet 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]
    

  • Välj aktivitet Viikon 4 luentomateriaali

    

    Viikon 4 luentomateriaali Fil PDF
  • Välj aktivitet Entropian muutos

    

    Entropian muutos Fil PDF

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

  • Välj aktivitet 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]

    
    

  • Välj aktivitet Viikon 5 luentomateriaali

    

    Viikon 5 luentomateriaali Fil PDF
  • Välj aktivitet Esimerkkejä Gibbsin funktiosta

    

    Esimerkkejä Gibbsin funktiosta Fil PDF
  • Välj aktivitet 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]
    

    
    

  • Välj aktivitet Viikon 6 luentomateriaali

    

    Viikon 6 luentomateriaali Fil PDF
  • Välj aktivitet Aiempien viikkojen esitehtävät

    Aiempien viikkojen esitehtävät
    

    
    

  • Välj aktivitet Esitehtävä 1.1

    Tillgänglig om: Du tillhör gruppen L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 1.1 Kunskapstest

    Mikä tekee tarkastellusta ongelmasta tai käsittelystä termodynaamisen?
    

    Palautus viimeistään maanantaina 24.10. klo 12.00.
    

  • Välj aktivitet Esitehtävä 1.2

    Tillgänglig om: Du tillhör gruppen L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 1.2 Kunskapstest

    Erilaisia lämpömittareissa käytettäviä termometrisiä ominaisuuksia.
    

    Palautus viimeistään keskiviikkona 26.10. klo 12.00.
    

  • Välj aktivitet Esitehtävä 2.1

    Tillgänglig om: Du tillhör gruppen L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 2.1 Kunskapstest

    Työ ja lämpö - samankaltaisuudet ja erot.

    Palautus viimeistään maanantaina 31.10. klo 12.00.
    

  • Välj aktivitet Esitehtävä 2.2

    Tillgänglig om: Du tillhör gruppen L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 2.2 Kunskapstest

    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 ($c_V$).
    

  • Välj aktivitet Esitehtävä 3.1

    Tillgänglig om: Du tillhör gruppen L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 3.1 Kunskapstest

    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 $dW \geq -pdV$.
    

    
    

  • Välj aktivitet Esitehtävä 3.2

    Tillgänglig om: Du tillhör gruppen L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 3.2 Kunskapstest

    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?
    

  • Välj aktivitet Esitehtävä 4.1

    Tillgänglig om: Du tillhör gruppen L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 4.1 Kunskapstest

    Oma tämänhetkinen käsityksesi fysiikan suureesta entropia.
    

  • Välj aktivitet Esitehtävä 4.2

    Tillgänglig om: Du tillhör gruppen L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 4.2 Kunskapstest

    Entropia ja epäjärjestys/satunnaisuus.
    

  • Välj aktivitet Esitehtävä 5.1

    Tillgänglig om: Du tillhör gruppen L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 5.1 Kunskapstest

    Systeemin termodynaaminen tasapainottuminen.
    

  • Välj aktivitet Esitehtävä 5.2

    Tillgänglig om: Du tillhör gruppen L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 5.2 Kunskapstest

    Systeemin ja ympäristön välinen termodynaaminen tasapaino aineen vaihdossa.
    

  • Välj aktivitet Esitehtävä 6.1

    Tillgänglig om: Du tillhör gruppen L01 (SISU)

    

    Esitehtävä 6.1 Kunskapstest

    Tämä on kurssin viimeinen esitehtävä.

    Faasikuvaajan tarkastelua (YF 18.6).