PHYS-A0120 - Termodynamiikka (TFM), Luento-opetus, 24.10.2023-4.12.2023

Topic outline

• Luentovideot
  Tänne tulee nauhoitetut ja leikatut luentovideot sitä mukaan kun kurssi etenee.
  

  • Select activity Viikko 6: erilaiset kiertokoneet, termodynamiikan ... (copy)

    Viikko 6: erilaiset kiertokoneet, termodynamiikan pääsäännöt ja ikiliikkujat
    

  • Select activity (2023) Carnot sykli TS-tasossa. 23 minuuttia.

    

    (2023) Carnot sykli TS-tasossa. 23 minuuttia. URL

    Tarkastellaan vielä Carnot'n sykliä ja määritetään sen hyötysuhde lämpötila-entropia-tasossa.
    

  • Select activity (2023) Stirlingin kone ja sykli. 18 minuuttia.

    

    (2023) Stirlingin kone ja sykli. 18 minuuttia. URL

    Ensimmäisenä esimerkkinä reaalikoneesta tarkastellaan Stirlingin konetta ja sitä vastaavaa mallisykliä eli Stirlingin sykliä.
    

  • Select activity (2023) Reaalikoneet ja Braytonin syklii. 18 minuuttia.

    

    (2023) Reaalikoneet ja Braytonin syklii. 18 minuuttia. URL

    Käsitellään lisää reaalikoneita ja esitellään Braytonin sykli, joka on tyypillinen mallisykli kylmäkoneille ja lämpöpumpuille (sekä suihkuturbiinille).
    

  • Select activity (2023) Stirlingin syklin hyötysuhde. 14 minuuttia.

    

    (2023) Stirlingin syklin hyötysuhde. 14 minuuttia. URL

    Määritetään ideaalisen Stirlingin syklin hyötysuhde.
    

  • Select activity Termodynamiikan toinen pääsääntö ja Carnot'n lause

    

    Termodynamiikan toinen pääsääntö ja Carnot'n lause File PDF

    Nauhoitukset eivät kurssin viimeisellä luennolla onnistuneet. Tässä ote Blundellien kirjasta, josta käsittelimme termodynamiikan toista pääsääntöä sekä Carnot'n lausetta ja sitä miten Carnot'n konetta hyödynnetään osoittamaan erilaisten termodynamiikan toisen pääsäännön muotoilujen identtisyyttä.
    
  • Select activity (2021) Ikiliikkujat. XX minuuttia.

    

    (2021) Ikiliikkujat. XX minuuttia. URL

    Nauhoitukset viimeisellä luennolla eivät onnistuneet. Tässä vastaava video ikiliikkujista vuodelta 2021.
    

  • Select activity Viikko 5: adiabaattinen prosessi, Carnot'n kone ja... (copy)

    Viikko 5: adiabaattinen prosessi, Carnot'n kone ja hyötysuhde
    

  • Select activity (2023) Adiabaattinen prosessi. 30 minuuttia.

    

    (2023) Adiabaattinen prosessi. 30 minuuttia. URL

    Adiabaattinen prosessi on prosessi jossa ei siirry lämpöä. Johdetaan differentioimalla adiabaattisen prosessin P(V)-funktion käyttäytyminen.
    

  • Select activity (2023) Vesirakettidemo ja adiabaattisen prosessin lämpötila-tilavuus T(V)-kuvaaja. 14 minuuttia.

    

    (2023) Vesirakettidemo ja adiabaattisen prosessin lämpötila-tilavuus T(V)-kuvaaja. 14 minuuttia. URL

    Demotaan adiabaattista prosessia esitehtävästäkin tutulla vesiraketilla, jossa adiabaattisessa laajentumisessa pullon sisällä olevan jäähtyvän kostean ilman kosteus tiivistyy alkeispisaroiksi ja pilveksi. Lisäksi johdetaan lyhyesti adiabaattisen prosessin T(V)-funktio.
    
  • Select activity (2023) Entropian muutos(?) adiabaattisessa prosessissa. 16 minuuttia.

    

    (2023) Entropian muutos(?) adiabaattisessa prosessissa. 16 minuuttia. URL

    Adiabaattisessa prosessissa ei siirry lämpöä mutta tarkastellaan hieman huolellisemmin entropian muutosta ideaalikaasun adiabaattisessa prosessissa. Mikäli prosessi on kvasistaattinen on entropian muutos nolla mutta Clausiuksen epäyhtälön mukaisesti ei-kvasistaattisessa prosessissa entropia saattaa myös kasvaa.
    
  • Select activity (2023) Hyötysuhde ja tehokerroin. 38 minuuttia.

    

    (2023) Hyötysuhde ja tehokerroin. 38 minuuttia. URL

    Määritellään lämpövoimakoneen hyötysuhde sekä kylmäkoneiden ja lämpöpumppujen tehokerroin. Lisäksi eristetyn systeemin entropian kasvun pohjalta määritämme teoreettisen rajan lämpövoimakoneen hyötysuhteelle.
    
  • Select activity (2023) Demo lämpövoimakoneen prosesseista. 20 minuuttia.

    

    (2023) Demo lämpövoimakoneen prosesseista. 20 minuuttia. URL

    Keskustellaan vielä vähän hyötysuhteesta mutta lisäksi demotaan lämpövoimakoneen erilaisia prosesseja: adiabaattinen, isoterminen, isokoorinen ja isobaarinen prosessi.
    
  • Select activity (2023) Carnot'n sykli. 24 minuuttia.

    

    (2023) Carnot'n sykli. 24 minuuttia. URL

    Tarkastellaan Carnot'n sykliä, joka koostuu kahdesta adiabaattisesta ja kahdesta isotermisestä prosessista. Lasketaan sykliä vastaavan Carnot'n koneen hyötysuhde ja osoitetaan että se on sama maksimaalinen hyötysuhde kuin mitä entropiatarkastelulla oli aiemmin määritetty.
    
  • Select activity Viikko 4: termodynaamiset potentiaalit, olomuodonm... (copy)

    Viikko 4: termodynaamiset potentiaalit, olomuodonmuutokset
    

  • Select activity (2023) Reunaehdot. 5 minuuttia.

    

    (2023) Reunaehdot. 5 minuuttia. URL

    Keskustellaan alustuksena hieman reunaehdoista: vakiopaine, vakiotilavuus, jne.
    

  • Select activity (2023) Lämpökapasiteetit, kertaus. 5 minuuttia.

    

    (2023) Lämpökapasiteetit, kertaus. 5 minuuttia. URL

    Kertauksenomaisesti viikolta 2 keskutellaan vielä ideaalikaasun lämpökapasiteetista.
    

  • Select activity (2023) Lämpökapasiteetit differentioimalla. 25 minuuttia.

    

    (2023) Lämpökapasiteetit differentioimalla. 25 minuuttia. URL

    Johdetaan uudestaan, nyt hieman matemaattisemmin, lämpökapasiteetit vakiotilavuudessa ja vakiopaineessa. Nyt saamme yleisemmät muotoilut, jotka pätevät myös reaalikaasuille ja itse asiassa myös muille aineen olomuodoille kuin pelkille kaasuille.
    

  • Select activity (2023) Sisäenergia. 17 minuuttia.

    

    (2023) Sisäenergia. 17 minuuttia. URL

    Määritellään sisäenergia uudestaan siten, että se sisältää hiukkasten liike- ja muiden vapausasteiden energiat ynnä lisäksi hiukkasten väliset vuorovaikutusenergiat. Eli erityisesti molekyylien sidosenergiat ja sen sellaiset sisältyvät osaksi systeemin sisäenergiaa.
    

  • Select activity (2023) Termodynaamiset potentiaalit. 25 minuuttia.

    

    (2023) Termodynaamiset potentiaalit. 25 minuuttia. URL

    Termodynaamiset potentiaalit ovat systeemin tilanmuuttujia, joiden minimoinnista saadaan pääteltyä spontaanien prosessien tapahtuman suunta. Termodynaamisia potentiaaleja on erilaisia sen mukaan millaiset reunaehdot systeemillä on (esim. vakiopaine, vakiolämpötila).

  • Select activity (2023) Pari sanaa jäätelöstä, suolan sekoittuminen veden eri faaseihin. 19 minuuttia.

    

    (2023) Pari sanaa jäätelöstä, suolan sekoittuminen veden eri faaseihin. 19 minuuttia. URL

    Ensiksi muutama sana ryhmälaskareissa tehtävästä jäätelöstä. Tästä tulee myös viestiä Mycoursesiin. Lisäksi keskustelimme hieman siitä miten suola ja vesi sekoittuvat: suola liukenee, eli sekoittuu mikroskooppisella tasolla veteen. Sen sijaan veden kaasu- ja kiinteässä faasissa suola ei sekoitu.
    

  • Select activity (2023) Spontaanit prosessit. 17 minuuttia.

    

    (2023) Spontaanit prosessit. 17 minuuttia. URL

    Entropian kasvu määrää prosessin spontaaniuden. Systeemi-ympäristö-mallissa tämä kokonaisentropian kasvu kuvastuu systeemin termodynaamisen potentiaalin minimoitumisena.
    

  • Select activity (2023) Olomuodon muutokset ja eri faasien Gibbsin potentiaalit. 15 minuuttia.

    

    (2023) Olomuodon muutokset ja eri faasien Gibbsin potentiaalit. 15 minuuttia. URL

    Laaditaan karkea (linearisoitu) malli eri aineen olomuotojen Gibbsin termodynaamiselle potentiaalille ja sen lämpötilariippuvuudelle. Mallista saadaan määritettyä sulamis- ja kiehumispisteet aineelle minimoimalla kullakin lämpötilalla Gibbsin potentiaalin.
    
  • Select activity (2023) Suolan vaikutus faasidiagrammiin ja muita asioita. XX minuuttia.

    

    (2023) Suolan vaikutus faasidiagrammiin ja muita asioita. XX minuuttia. URL

    Tarkastellaan miten karkea linearioistu Gibbsin termodynaamisten potentiaalien malli muuttuu kun veteen lisätään suolaa: nestefaasin entropia kasvaa, kaasu ja kiinteän faasin oleellisesti pysyvän muuttumattomina. Tällöin sulamispiste laskee ja kiehumispiste nousee.
    

    Esitellään myös 'kädenlämmitin', joka on esimerkki alijäähtyneestä nesteestä (natriumasetaattia) -- aineen kiteytyminen vapauttaa energiaa kiteen sidosten muodostuessa, mikä vapauttaa lämpöä.

    Ja lopuksi vielä lyhyt esimerkkilasku entropian muutoksen laskemisesta: miten jää sulaa luentosalissa.
    
  • Select activity Viikko 3: entropia, tilanmuuttujat, termodynaamise... (copy)

    Viikko 3: entropia, tilanmuuttujat, termodynaamiset alkeisprosessit
    

  • Select activity (2023) Entropia. 18 minuuttia.

    

    (2023) Entropia. 18 minuuttia. URL

    Määritellään entropia makrotilaa vastaavien mikrotilojen lukumäärän logaritmina.
    

  • Select activity (2023) Kombinaatiot. 19 minuuttia.

    

    (2023) Kombinaatiot. 19 minuuttia. URL

    Heitellään hieman noppia ja määritetään noppien silmälukujen summan jakaumaa. Noppien silmälukujen summa vastaa 'makrotilaa' jolloin erilaiset noppakonfiguraatiot jotka tuota summaa vastaa ovat 'makrotilaa' vastaavia 'mikrotiloja'. Käsitellään myös hieman Einsteinin mallia kiteiselle aineelle. Kun kiteen koko kasvaa, alkaa termodynaamista tasapainoa (=tasainen energiajakauma) täydellisesti dominoimaan kaikkien mikrotilojen joukkoa.
    

  • Select activity (2023) Entropia ja tilavuus. 10 minuuttia.

    

    (2023) Entropia ja tilavuus. 10 minuuttia. URL

    Määritetään erilaisten kombinaatioiden lukumäärä kun N hiukkasta sijoitellaan tilavuuteen V. Näin saamme määritettyä sen, miten systeemin entropia muuttuu kun tilavuutta muutetaan.
    

  • Select activity (2023) Vapausasteet. 12 minuuttia.

    

    (2023) Vapausasteet. 12 minuuttia. URL

    Mikrotiloihin liittyen keskustellaan vielä hieman edellisviikon aiheista molekyylien vapausasteista.
    

  • Select activity (2023) Entropia ja energia. 21 minuuttia.

    

    (2023) Entropia ja energia. 21 minuuttia. URL

    Systeemin sisäenergia jaetaan kaikkien hiukkasten vapausasteiden kesken. Määritetään erilaisten energiajakokonfiguraatioiden määrä ja siis vastaava entropian muutos kun sisäenergiaa muutetaan.
    

  • Select activity (2022) Clausius ja entropian muutos. 13 minuuttia.

    

    (2022) Clausius ja entropian muutos. 13 minuuttia. URL

    Luentosalin kamera ei toiminut, joten tässä vastaavat videot toiselta kurssilta. Clausiuksen määritelmä antaa meille laskennallisen määritelmän systeemin entropian muutokselle: se määräytyy systeemin tuodun lämmön ja lämpötilan suhteena. Kyseessä on differentiaalinen relaatio, joka pitää integroida.
    

  • Select activity (2022) Tilanmuuttujat. 9 minuuttia.

    

    (2022) Tilanmuuttujat. 9 minuuttia. URL

    Tilanmuuttujat ovat systeemin tilaa kuvaavia makroskooppisia suureita: paine, tilavuus, ainemäärä, lämpötila, sisäenergia, entropia jne. Kurssillamme tulee kuitenkin vastaan kaksi muuttujaa jotka eivät ole tilanmuuttujia: lämpö ja työ. Ne eivät ole systeemin ominaisuuksia vaan termodynaamisen prosessin ominaisuuksia -- ne siis kuvaavat miten systeemin tilaa muutetaan.
    

  • Select activity (2022) Termodynaamiset prosessit. 25 minuuttia.

    

    (2022) Termodynaamiset prosessit. 25 minuuttia. URL

    Yksinkertaiset termodynaamiset perusprosessit ovat prosesseja joissa kaasun tilaa muutetaan mutta jokin sen tilanmuuttujista pidetään vakiona: isobaarinen prosessi (paine on vakio), isokoorinen prosessi (tilavuus on vakio), isoterminen prosessi (lämpötila on vakio) tai adiabaattinen prosessi (lämpöä ei siirry).
    

  • Select activity Viikko 2: kineettistä kaasuteoriaa. Ideaalikaasu, ...

    Viikko 2: kineettistä kaasuteoriaa. Ideaalikaasu, tilanyhtälö, termalisaatio ja vapaa matka, paine, lämpökapasiteetti.
    

  • Select activity (2023) Ideaalikaasun tilanyhtälö. 31 minuuttia.

    

    (2023) Ideaalikaasun tilanyhtälö. 31 minuuttia. URL

    Aloitetaan pienellä demolla mutta sitten johdetaan kokeellisesti havaituista kaasulaeista ideaalikaasun tilanyhtälö. Lopussa lisäksi keskustellaan ideaalikaasun oletuksista.
    

  • Select activity (2023) Reaalikaasut. 6 minuuttia.

    

    (2023) Reaalikaasut. 6 minuuttia. URL

    Keskustellaan hieman reaalikaasuista ja siitä miten niiden paine-tilavuus-lämpötila-käyttäytyminen on erilaista kuin ideaalikaasulla. Lisäksi esitellään viriaalikehitelmä, eli tilanyhtälön Taylorin sarja (potenssisarja) tilavuuden käänteisluvulle 1/V.
    

  • Select activity (2023) Termalisaatio. 21 minuuttia.

    

    (2023) Termalisaatio. 21 minuuttia. URL

    Kaasujen tilanyhtälöt edellyttävät systeemiltä termodynaamista tasapainoa. Termalisaatioaika on aikasuuruusluokka, jossa systeemi termalisoituu eli pystyy palauttamaan tasapainotilansa. Arvioimme sitä karkeasti molekyylien törmäysajalla.
    

  • Select activity (2023) Vapaa matka. 9 minuuttia.

    

    (2023) Vapaa matka. 9 minuuttia. URL

    Vapaa matka on suure, joka kuvaa sitä kuinka pitkälle molekyyli pystyy liikkumaan ennen kuin se siroaa jostakin toisesta molekyylistä.
    

  • Select activity (2023) Satunnaiskävely. 10 minuuttia.

    

    (2023) Satunnaiskävely. 10 minuuttia. URL

    Molekyyli etenee kaasussa siroten satunnaisesti kohtaamistaan hiukkasista. Voimme mallintaa molekyylin etenemistä satunnaiskävelynä. Käytetään python-skriptiä satunnaiskävelyn mallintamiseen ja todetaan miten etenemismatka skaalautuu sirontojen lukumäärän N funktiona ( d \sim \sqrt(N)). Käytetään tulosta sitten laskeaksemme miten ilmamolekyyli etenee ilmassa -- aika matkan d kulkemiseen ja kuinka pitkän matkan se itse asiassa taittaa tuolla siirtymällä.
    

  • Select activity (2022) Paine ja molekyylien liike-energia. 23 minuuttia.

    

    (2022) Paine ja molekyylien liike-energia. 23 minuuttia. URL

    Tehdän yksinkertainen kineettisen kaasuteorian malli kaasun paineelle ja sitä kautta johdetaan yhteys kaasun lämpötilan ja kaasun hiukkasten liike-energian välille.
    

  • Select activity (2022) Ekvipartitioteoreema ja lämpökapasiteetti. 17 minuuttia.

    

    (2022) Ekvipartitioteoreema ja lämpökapasiteetti. 17 minuuttia. URL

    Ekvipartitioteoreeman mukaan systeemin jokaiseen vapausasteeseen sisältyy termodynaamisessa tasapainotilassa energiamäärä 1/2*k_B*T. Tästä periaatteesta saadaan määritettyä sitten myös kaasujen lämpökapasiteetti, joka kertoo kuinka paljon kaasuun pitää tuoda energiaa, jotta sen lämpötila nousee halutun määrän.
    

  • Select activity (2022) Kaasujen lämpökapasiteetit vakiotilavuudessa ja vakiopaineessa. 18 minuuttia.

    

    (2022) Kaasujen lämpökapasiteetit vakiotilavuudessa ja vakiopaineessa. 18 minuuttia. URL

    Kaasujen tapauksessa lämpökapasiteetti riippuu reunaehdoista: onko systeemin tilavuus tai paine vakio? Kun kaasuun tuodaan lisää energiaa ja sen lämpötila nousee, niin jos se samalla pääsee laajenemaan (vakiopaineessa) niin se tekee työtä ulkoista painetta vastaan. Tämä tehty työ pienentää systeemin energiaa, joten saman lämpötilan nousun aikaansaamiseksi pitää siihen tuoda enemmän energiaa. Vakiopaineessa lämpökapasiteetti on siis suurempi kuin vakiotilavuudessa.
    

  • Select activity Viikko 1: hydrostatiikkaa, hydrodynamiikkaa. Hydro...

    Viikko 1: hydrostatiikkaa, hydrodynamiikkaa. Hydrostaattinen paine, jatkuvuusyhtälö, Bernoullin yhtälö.
    

  • Select activity (2023) Kurssin sisältö. 3 minuuttia.

    

    (2023) Kurssin sisältö. 3 minuuttia. URL

    Hyvin lyhyt katsaus termodynamiikan kurssin sisältöihin.
    

  • Select activity (2023) Fluidit. 15 minuuttia.

    

    (2023) Fluidit. 15 minuuttia. URL

    Keskustellaan fluidien (=kaasut, nesteet) ominaisuuksista.
    

  • Select activity (2023) Viskositeetti. 17 minuuttia.

    

    (2023) Viskositeetti. 17 minuuttia. URL

    Fluidin viskositeettia kutsutaan sisäiseksi kitkaksi. Se ei suoraan estä liikettä mutta se vastustaa nopeuserojen syntymistä.
    

  • Select activity (2023) Virtaukset. 14 minuuttia.

    

    (2023) Virtaukset. 14 minuuttia. URL

    Virtaukset voi karkeasti jakaa laminaariseen ja turbulenttiin virtaukseen. Laminaarinen virtaus oletetaan kurssin tapauksissa.
    

  • Select activity (2023) Hydrostaattinen paine. 30 minuuttia.

    

    (2023) Hydrostaattinen paine. 30 minuuttia. URL

    Tehdään yksinkertainen fysikaalinen malli, jolla määritämme hydrostaattisen paineen riippuvuuden fluidin syvyydestä. Lisäksi esimerkinomaisesti ratkaisemme hydrostaattisen paineen syvyyden funktiona ottaen huomioon paineen aiheuttaman veden tiheyden muutoksen.
    

  • Select activity (2023) Virtaukset, oletukset. 16 minuuttia.

    

    (2023) Virtaukset, oletukset. 16 minuuttia. URL

    Käydään vielä lyhyesti läpi oletukset virtauksiin liittyen.
    

  • Select activity (2023) Hydrodynamiikan jatkuvuusyhtälö. 7 minuuttia.

    

    (2023) Hydrodynamiikan jatkuvuusyhtälö. 7 minuuttia. URL

    Johdetaan dimensioanalyyttisesti jatkuvuusyhtälö. Tämä on jatkuvuusyhtälön muotoilu, jota tällä kurssilla tarvitaan, oletuksina laminaarisuus sekä stationaarisuus.
    

  • Select activity (2023) Yleinen jatkuvuusyhtälö, osa I. 18 minuuttia.

    

    (2023) Yleinen jatkuvuusyhtälö, osa I. 18 minuuttia. URL

    Jatkuvuusyhtälö yleistyy muillekin säilyville suureille kuin vain hydrodynamiikan aineen säilymiseen. Johdetaan yleinen jatkuvuusyhtälö. Huom. Yleinen jatkuvuusyhtälö edellyttää diffis-II ja diffis-III työkaluja, eikä tokikaan ole välttämätön tälle kurssille. Mutta jatkuvuusyhtälö tulee eri muodoissaan vastaan vielä monesti, joten esitellään se jo nyt.
    

  • Select activity (2023) Yleinen jatkuvuusyhtälö, osa II. 12 minuuttia.

    

    (2023) Yleinen jatkuvuusyhtälö, osa II. 12 minuuttia. URL

    Yleisen jatkuvuusyhtälön johto ja esittely jatkuu.
    
  • Select activity (2023) Bernoullin yhtälö. 10 minuuttia.

    

    (2023) Bernoullin yhtälö. 10 minuuttia. URL

    Johdetaan Bernoullin yhtälö samaan tapaan kuin esitehtävävideossa mutta ei oleteta kokoonpuristumattomuutta (eli tiheyskin saa nyt muuttua).
    
  • Select activity (2023) Esimerkki. 9 minuuttia.

    

    (2023) Esimerkki. 9 minuuttia. URL

    Tehdään lyhyt laskuesimerkki, jossa hyödynnetään Bernoullin yhtälöä sekä jatkuvuusyhtälöä.