background image

 

 

I.  Formalizm termodynamiki 

Podstawowe pojęcia i idee termodynamiki 

Punktem  wyjścia  w  termodynamicznym  opisie  wszechświata  jest  jego  umowny  podział 

pomiędzy układ i otoczenie.  

Układ  -  część  wszechświata,  wyodrębniona  granicami  i  stanowiąca  makroskopowy  zespół 

oddziałujących  cząstek.  Zakładamy,  że  układ  stanowi  jednorodne,  izotropowe  i  obojętne 

elektrycznie  kontinuum,  a  czas  jego  istnienia  i  rozmiary  są  wystarczające  dla  dokonania 

pomiaru.  

Otoczenie - reszta wszechświata, poza układem.  

Układ  oddziałuje  z  otoczeniem,  jeśli  zmiany  w  otoczeniu  powodują  mierzalne  zmiany  w 

układzie.  

Typy układów: 

Układ izolowany nie wymienia z otoczeniem ani masy ani energii, a zmiany w otoczeniu nie 

powodują zmian w układzie.  

Układ  zamknięty  wymienia  z  otoczeniem  energię  (ciepło  i/lub  pracę),  nie  wymienia  masy. 

Układ otwarty wymienia z otoczeniem zarówno masę jak i energię.  

 

 

Schemat ideowy układu izolowanego, zamkniętego i otwartego 

 

 

Stan układu – forma jego występowania w danych warunkach (stan termodynamiczny). Jest on 

w  istocie  makrostanem,  opisanym  przez  mierzalne  wielkości,  tak  zwane  zmienne 

(parametry) stanu (objętość 

 , ciśnienie  , temperaturę   oraz liczby moli  poszczególnych 

background image

 

składników 

  

 

              ).  

Stan  stacjonarny  -  stan  układu,  którego  parametry  nie  zależą  od  czasu  -  np.  stan  układu 

wymieniającego ciepło ze stałą prędkością. 

Układ w stanie równowagi termodynamicznej  -  jeśli  nie  ma przepływu  makroskopowego,  nie 

występują w nim wówczas żadne fizyczne ani chemiczne zmiany stanu.  

Faza  -  chemicznie  i  fizycznie  jednorodna  część  układu,  wydzielona  z  niego  wyraźnymi 

granicami. Pojęcie fazy jest zwykle utożsamiane ze stanem materii i odnosi się do równowagi 

zadanej  przez  określony  zbiór  zmiennych  termodynamicznych.  Przekroczenie  przez 

którykolwiek z tych parametrów pewnych wartości granicznych, powoduje reorganizację 

materii  i  przejście  (przemianę)  do  nowej  fazy  (na  przykład  topnienie  po  przekroczeniu 

temperatury  topnienia).  Odrębnymi  fazami  są  różne  stany  skupienia  danej  substancji,  różne 

struktury  substancji  w  fazie  stałej,  czy  też  dwie  ciecze  (jak  olej  i  woda),  które  nie  wykazują 

mieszalności. 

Proces (któremu podlega układ lub część układu) - dowolna zmiana stanu układu. Proces może 

być:  odwracalny  lub  nieodwracalny,  samorzutny  lub  niesamorzutny,  stacjonarny  lub 

niestacjonarny w czasie. 

Terminy  odwracalny  i  nieodwracalny  oznaczają  możliwość  lub  brak  możliwości  powrotu 

układu  do  stanu  początkowego,  bez  jakichkolwiek  zmian  w  układzie  i  otoczeniu  -  graniczny 

(wyidealizowany) przypadek procesu kwazi-równowagowego.  

Procesy  nieodwracalne  obejmują  przypadek  zmian  zachodzących  w  sposób  samorzutny,  to 

znaczy takich, które prowadzą do obniżenia energii układu. Zachodzą one ze stałą (skończoną) 

szybkością i dlatego czas pełni w ich opisie istotną rolę.  

procesach niesamorzutnych układ gromadzi energię, która może być następnie zamieniona 

na  ciepło,  pracę  lub  może  ulec  rozproszeniu.  Procesów  niesamorzutnych  nie  można 

rozpatrywać  w  oderwaniu  od  procesów  samorzutnych.  Takie  procesy  są  przeciwstawne,  lecz 

zachodzą we wszechświecie równolegle. 

 

 Równowaga w układzie 

Prawa  i  reguły  klasycznej  (równowagowej)  termodynamiki  odnoszą  się  do  stanów 

równowagowych oraz przemian pomiędzy takimi stanami: 

Każdy  układ  izolowany  ewoluuje  w  sposób  nieodwracalny  do  stanu  równowagi 

termodynamicznej. 

background image

 

W  stanie  równowagi  termodynamicznej,  w  układzie  nie  zachodzą  fizyczne  ani  chemiczne 

przemiany  i  nie  mają  w  nim  miejsca  żadne  przepływy.  W  przypadku  stałych  przepływów 

mówimy  o  stanie  stacjonarnym.  Parametry  stanu  układu  w  równowadze  i  układu  w  stanie 

stacjonarnym  są  stałe,  a temperatura  i  entropia  mają  dobrze określony  sens  fizyczny.  Czas  w 

opisie takich układów nie odgrywa roli. 

Zerowa zasada termodynamiki

Jeżeli układy A i B są w stanie równowagi cieplnej z układem C, to są one również w 

stanie równowagi cieplnej względem siebie  

lub 

Jeżeli  układy  A  i  B  są  w  stanie  równowagi  termodynamicznej  z  układem  C,  to 

pozostają one  również we wzajemnej równowadze termodynamicznej. 

lub 

Dwa układy są w stanie termodynamicznej  równowagi, jeśli stan żadnego z nich nie 

ulegnie zmianie , gdy znajdą się one w bezpośrednim kontakcie. 

Zależnie  od  sposobu  oddziaływania  układu  z  otoczeniem,  proces  termodynamiczny, 

prowadzący do nowego stanu równowagi, może być procesem: 

-  adiabatycznym, bez wymiany ciepła; 

-  izobarycznym, pod stałym ciśnieniem; 

-  izotermicznym, w stałej temperaturze; 

-  izochorycznym, bez zmiany objętości; 

-  izentropowym, bez wymiany entropii; 

-  izentalpowym, bez zmiany entalpii. 

Jeśli  proces  przebiega  na  tyle  wolno,  że  towarzyszące  mu  odstępstwa  od  stanów  równowagi 

termodynamicznej  są  nieznaczące,  to  mówimy,  że  jest  to  proces  kwazistatyczny 

(pseudostatyczny). Zachowanie pełnej równowagi nie jest jednak możliwe, ponieważ wówczas 

nie  miałyby  miejsca  żadne  zmiany.  Proces  kwazistatyczny  jest tylko  pewnym  uproszczeniem, 

pomagającym modelować rzeczywisty przebieg procesów termodynamicznych. 

Funkcje stanu 

Funkcja  stanu  -  jednoznacznie  określona  funkcja,  zależna  od  zmiennych  stanu  i 

charakteryzującą  stan  układu.  Funkcja  ta,  dla  każdego  stanu  równowagowego,  przyjmuje 

określoną wartość, niezależnie od drogi, jaką w przestrzeni stanów pokonał układ, dochodząc 

do stanu równowagi.  

background image

 

Jeśli  w  wyniku  dowolnego  procesu  układ  przechodzi  z  jednego  stanu  w  drugi,  to 

energetyczny  efekt  przemiany  jest  jednoznacznie  określony  przez  funkcję  stanu 

początkowego i końcowego, niezależnie od stanów pośrednich. W przypadku  procesu 

cyklicznego,  gdy  układ  wraca  do  stanu  wyjściowego,  funkcja  stanu  końcowego  jest 

identyczna z funkcją wyjściową.  

Zgodnie  z  zasadą  najmniejszego  działania,  w  sformułowaniu  Hamiltona,  należy  przyjąć,  że 

warunki równowagi termodynamicznej określone są przez zasady ekstremum. Ekstrema  takie 

(minimum  lub  maksimum)  osiągane  są  przez  funkcje  stanu  dla  określonych  wartości 

parametrów  termodynamicznych.  Funkcja  stanu  może  być  również  traktowana  jako  zmienna 

stanu, od której zależna jest inna funkcja stanu. 

Zmianie  parametrów  termodynamicznych  towarzyszy  zwykle  zmiana  stanu  układu,  ilościowo 

opisywana przez jedną z podstawowych funkcji stanu: 

 ,  ,  ,   lub Ω, gdzie: 

 

  

 

(energia wewnętrzna) 

- energia potrzebna do utworzenia układu; 

          

  

(energia Helmholtza) 

- energia 

potrzebna  do  utworzenia  układu, 

pomniejszona  o  energię  dostarczoną  z  otoczenia  w 

postaci ciepła (

                        ); 

          

 

(entalpia) 

- energia 

potrzebna  do  utworzenia  układu, 

powiększona o wartość pracy związanej z ekspansją 

układu (

                      ); 

               

 

(energia Gibbsa) 

- energia 

potrzebna  do  utworzenia  układu, 

powiększona o wartość pracy związanej z ekspansją 

układu  i  pomniejszona  o  energię  dostarczoną  z 

otoczenia w postaci ciepła; 

 

             

*)

 

(wielki potencjał kanoniczny) 

- energia 

potrzebna  do  utworzenia  układu, 

pomniejszona  o  energię  dostarczoną  z  otoczenia  w 

postaci  ciepła  i  powiększona  o  wartość  związaną  z 

dopływem 

masy 

(p

                     

               ) . 

*) Funkcja definiowana w termodynamice statystycznej 

 

Określając stan układu, należy sprecyzować, jakie parametry wystarczają, aby tego dokonać w 

sposób przejrzysty i jednoznaczny.  

background image

 

Zmienne  termodynamiczne,  które  wystarczą  dla  uzyskania  takiego  opisu  to  zmienne 

istotnie niezależne (lub zmienne naturalne). 

Są one zwykle wybierane ze zbioru: 

  (temperatura),   (entropia),   (ciśnienie),   (objętość), 

   (ilość  substancji)  oraz     (potencjał  chemiczny),  a  także  innych  parametrów,  opisujących 

oddziaływanie z otoczeniem, jak: 

   (napięcie powierzchniowe),  

    (pole magnetyczne),     (pole 

elektryczne). Adekwatnie do parametrów, określamy funkcję stanu od nich zależną. 

 

 

Zależności pomiędzy energią wewnętrzną, energią Helmholtza, entalpią i energią swobodną Gibbsa 

 

 

Zmienna  (funkcja)  termodynamiczna 

   jest  addytywna,  jeśli  po   -krotnej  zmianie  wielkości 

układu  (zadanej  liczbą  moli 

 )  zmienna  ta  również  uzyskuje  czynnik  „ ”:              . 

Zmienna  addytywna  podlega  skalowaniu,  zmienne  intensywne  są  niezmiennicze  względem 

skalowania 

             .  

Zmienne ekstensywne – mają właściwość addytywności, co oznacza, że zależą od masy 

układu  (liczby  moli  poszczególnych  składników).  Należą  do  nich  między  innymi: 

energia, entropia, energia, objętość, moment elektryczny i moment magnetyczny. 

Zmienne intensywne – nie są addytywne, co oznacza, że nie zależą od wielkości układu 

termodynamicznego.  Parametrami  intensywnymi  są:  ciśnienie,  temperatura,  potencjał 

chemiczny,  energia  powierzchniowa  oraz  pole  elektryczne  i  magnetyczne.  W  stanie 

równowagi  termodynamicznej,  wielkości  intensywne  podukładów  danego  układu 

przyjmują te same wartości.  

background image

 

Cząstkowe  wielkości  molowe  –  opisują,  jaki  dana  substancja  wnosi  do  danej  funkcji  dla 

całego  układu,  ilościowo  określone  przez  pochodne  cząstkowe  ekstensywnej  funkcji 

termodynamicznej względem liczby moli danego składnika (N), przy ustalonych izobaryczno – 

izotermicznych warunkach zewnętrznych:  

 

 

 

    

  

  

 

  

     

   

 

 

 

 

     

 

 

 

 opisuje udział, jaki 

 -ta substancja wnosi do wielkości   określonej dla całego układu. 

Energia wewnętrzna jako funkcja stanu 

Całkowita  energia  układu  obejmuje  trzy  składniki:  energię  wewnętrzną,  kinetyczną  i 

potencjalną.  Energia  kinetyczna  to  energia  ruchu  układu  jako  całości  (translacyjnego  i 

rotacyjnego), bez uwzględnienia ruchu cząstek w układzie.  

Na  energię  potencjalną  układu  składają  się,  między  innymi:  jego  energia  grawitacyjna, 

odśrodkowa,  elektryczna  czy  magnetyczna.  Energia  potencjalna  może  być,  zgodnie  z  zasadą 

zachowania energii, zamieniona na energię kinetyczną.  

Energia  wewnętrzna  układu 

   -  ta  część  energii  układu,  która  zależy  tylko  od  jego  stanu 

termodynamicznego,  w  uproszczeniu  stanowi  sumę  energii  potencjalnej  oddziaływań 

międzycząsteczkowych  oraz  energii  kinetycznej  nieuporządkowanego  ruchu  (translacyjnego, 

rotacyjnego  i  wibracyjnego)  obiektów  w  skali  mikroskopowej.  Może  przyjmować  formę 

energii chemicznej, elektrycznej, magnetycznej czy powierzchniowej albo cieplnej.  

Ilościowo,  energia  wewnętrzna  jest  równa  energii  potrzebnej  do  utworzenia  układu, 

bez  zmiany  jego  temperatury,  objętości  ani  masy  (liczby  moli  poszczególnych 

składników).  Zależy  zarówno  od  chemicznych  (skład  chemiczny)  i  fizycznych 

właściwości  samego  układu  (postać  fizyczna),  jak  i  od  warunków  istnienia  układu 

(temperatury, ciśnienia, pola elektrycznego albo magnetycznego).  

Zmiana  energii  wewnętrznej  układu,  w  efekcie  zmiany  stanu  układu,  nie  zależy  od  drogi 

procesu, a jedynie od wartości dla stanu początkowego (1) i końcowego (2): 

      

 

   

 

 

Oznacza  to,  że  zmiana  energii  wewnętrznej  określona  jest  przez  zbiór  parametrów 

termodynamicznych, definiujących te stany. 

 

 

background image

 

 

Uproszczony schemat składników energii wewnętrznej gazu atomowego, gazu cząsteczkowego oraz 

cieczy i ciała stałego w stanie równowagi, przy założeniu braku oddziaływań z otoczeniem i jednakowej 

temperatury we wszystkich układach 

 

 

Zmiana  energii  wewnętrznej  układu  zamkniętego  może  być  skutkiem  wymiany  energii  z 

otoczeniem:  na  sposób  ciepła  i  pracy.  Ani  ciepłu  ani  pracy  nie  można  jednak  nadać  sensu 

wielkości absolutnej, charakteryzującej układ w danym stanie. Wymiana ciepła jest oczywistą 

konsekwencją różnicy temperatur. Ciepło przyjmuje znak dodatni, jeśli przepływa z otoczenia 

do układu, ciepło płynące z układu do otoczenia ma znak ujemny. 

Wymiana energii na sposób pracy może obejmować wiele form, takich jak: praca magnetyczna, 

mechaniczna  czy  praca  sił  napięcia  powierzchniowego.  Generalnie,  pojęcie  pracy  obejmuje 

wszystkie  inne,  poza  ciepłem,    sposoby  wymiany  energii.  Reprezentowana  jest  iloczynem 

wielkości intensywnej 

  razy zmiana wielkości ekstensywnej  : 

        

Przez  analogię  do  mechaniki,  zmienna  intensywna  Y  może  być  utożsamiona  z  siłą,  a  zmiana 

wielkości  ekstensywnej  dX  z  pewnym  przemieszczeniem  w  abstrakcyjnej  przestrzeni 

parametrów stanu.  

W  przypadku,  gdy  „ruch”  układu  odbywa  się  w  abstrakcyjnej  przestrzeni  zmiennych 

termodynamicznych,  można  wskazać  energię  wewnętrzną 

   jako  funkcję  opisującą  stan tego 

układu.  Jeśli  przyjmiemy,  że  układ  wydzielony  jest  granicami  adiabatycznymi, 

uniemożliwiającymi  wymianę  ciepła  z  otoczeniem,  a  jego  energia  kinetyczna  i  potencjalna 

background image

 

pozostają stałe, to wówczas praca wykonana  nad układem (przez układ), powodująca zmianę 

stanu od 

    do     jest równa różnicy energii wewnętrznej w tych stanach: 

       

 

   

 

  

Znak 

       pozostaje  w  zgodzie  z  koncepcją,  że  praca  wykonana  nad  układem  jest  dodatnia 

(

      dla  

 

   

 

), a praca wykonana przez układ jest ujemna (

      dla  

 

   

 

). Wobec 

powyższego,  praca  dodatnia  to  praca  wykonana  przez  otoczenie  nad  układem,  praca  ujemna 

jest pracą wykonaną przez układ nad otoczeniem. Przy ustalaniu znaków pracy stosujemy więc 

tę samą konwencję co w opisie wymiany ciepła: 

     

 

   

 

 

gdzie 

      w przypadku przepływu ciepła do układu ( 

 

   

 

) i 

     , kiedy układ oddaje 

ciepło (

 

 

   

 

). 

Dodatnie ciepło i praca „dodają” energię do układ; ujemne – „odejmują”. 

Ciepło,  jakie  układ  wymienia  z  otoczeniem  i  praca  wykonywana  w  przemianie  nie  są 

niezależne od drogi, po jakiej się to odbywa - nie są różniczkami w ścisłym (matematycznym) 

rozumieniu. Adekwatnie, 

  i   nie zależą jedynie od początkowego i końcowego stanu układu, 

ale od tego w jaki sposób stan końcowy został osiągnięty. Nie są to więc funkcje stanu i dlatego 

nie  ma  również  sensu  stwierdzenie,  że  układ  „posiada”  w  określonym  stanie  pewien  zasób 

ciepła i pracy.  

 

Konwencja znaków ciepła i pracy wymienianych między układem i otoczeniem 

 

 

 

 Praca mechaniczna i niemechaniczna 

Zmiana  energii  wewnętrznej  jest  istotą  procesów,  jakim  podlegają  układy  termodynamiczne. 

Jest ona skutkiem wymiany energii  na sposób ciepła 

       lub pracy       , a w układach 

otwartych  również  przepływu  masy.  W  opisie  wymiany  energii  na  sposób  pracy  możemy 

background image

 

dokonać  dodatkowej  klasyfikacji,  wyróżniając  pracę  mechaniczną  objętościową  i 

nieobjętościową oraz pracę niemechaniczną

Praca  objętościowa  łączy  się  ze  zmianą  objętości  układu  i  cechuje  przemiany 

izotermiczne,  izobaryczne  i  izentropowe.  Jej  wielkość  jest  mała  w  odniesieniu  do  jednostki 

masy i dlatego praca objętościowa ma istotne znaczenie tylko w przypadku gazów (małe masy 

zajmują  duże  objętości).  Nie  wpływa  znacząco  na  stan  fazy  skondensowanej  (cieczy  i  ciał 

stałych). 

Jeśli  gaz  wypełnia  cylinder  z  tłokiem,  wywierając  ciśnienie 

 ,  to  praca  wykonana  przy 

przesuwaniu tłoka, przeciwko temu ciśnieniu, określona jest wzorem: 

 

   

       

gdzie 

    jest  zmianą  objętości  układu  (zmienna  ekstensywna),  P  –  ciśnieniem  (zmienna 

intensywna). 

W  przeciwieństwie  do  energii  wewnętrznej,  praca  wykonana  przez  układ,  albo  nad 

układem, i  prowadząca do zmiany stanu tego układu od 

    do      zależy od drogi 

procesu.  

Inną  formą  pracy,  o  istotnym  znaczeniu  dla  przemian  chemicznych,  jest  praca  chemiczna 

 

 

  

 

 (

 

 

 - potencjał chemiczny), towarzysząca zmianie liczby moli 

 -tego składnika (wskutek 

dyfuzji  lub  reakcji  chemicznych).  Więcej  przykładów  podano  w  tabeli.  Każdy  z  nich 

przedstawia  pracę  elementarną 

  ,  wyrażoną  w  postaci  iloczynu       (lub  iloczynu 

skalarnego) zmiennej intensywnej 

  i infinitezymalnej (nieskończenie małej) zmiany zmiennej 

ekstensywnej 

 . 

W  ogólnym  przypadku,  wielkość  wykonanej  pracy  jest  sumą  wszystkich  możliwych 

rodzajów pracy, jakie prowadzą do zmiany energii wewnętrznej układu:  

                                                      

 

 

  

    

    

           

 

  

 

 

    

 

 

 

Tabela 
Rodzaje pracy w wymianie energii pomiędzy układem i otoczeniem 

 

RODZAJ PRACY

 

ZMIENNA 

INTENSYWNA

 

ZMIENNA 

EKSTENSYWNA

 

PRZYCZYNEK 

DO dU [J]

 

 

OBJĘTOŚCIOWA

 

Ciśnienie: 

 

   [  ]

 

Objętość: 

 

[

 

 

]

 

PdV

 

background image

10 

 

N

IE

O

B

T

O

S

C

IO

WA

 

M

E

C

H

A

N

ICZ

N

A

 

SPRĘŻYSTA 

Siła: 

 

  [N]

 

Odkształcenie 

(wydłużenie w 

kierunku działania 

siły): 

  [ ]

 

   

 

W POLU GRAWITA- 
CYJNYM 

Potencjał 

 

grawitacyjny:

 

 

 

     [ 

 

  

 

]

 

Masa:

 

       

 

 

 

 

[

  ] 

(

 -masa molowa)

 

 

 

  

 

SIŁ NAPIĘCIA 
POWIERZCHNIOWEGO 

Napięcie 

powierzchniowe: 

 

   [   

 

]

 

Powierzchnia 

 

zorientowana:

 

   

 

]

 

        

 

E

L

E

K

T

R

O

M

A

G

N

E

T

Y

C

Z

N

A

 

ZWIĄZANA Z 
PRZENIESIENEM 
ŁADUNKU W POLU 
ELEKTRYCZNYM  

Potencjał 

elektrostatyczny: 

 

   [   ]

 

Ładunek: 

 

  

[

 ]

 

   

 

ZWIĄŚZANA ZE 
ZMIANĄ 
ELEKTRYCZNEGO 
MOMENTU 
DIPOLOWEGO W POLU 
ELEKTRYCZNYM 

Natężenie pola 

 

elektrycznego:

 

 

    [         ]

 

 

Elektryczny moment 

dipolowy: 

 

    [     ]

 

          

 

W POLU 
MAGNETYCZNYM 

Natężenie pola 

magnetycznego:

 

 

     [   ]

 

Moment 

 

magnetyczny: 

 

  

     [     

 

]

 

 

 

  

        

    

 

 

C

H

E

M

ICZ

N

A

 

CHEMICZNA (BEZ 
UDZIAŁU REAKCJI 
CHEMICZNEJ) 

Potencjał 

 

chemiczny: 

 

 

 

  [

   

 

]

 

Ilość i-tego 

 

składnika: 

 

 

 

 [

   ]

 

 

 

  

 

 

 

CHEMICZNA (Z 
UDZIAŁEM REAKCJI 
CHEMICZNYCH) 

Potencjał  

 

chemiczny:

 

 

 

 

  [

   

 

]

 

Ilość i-tego 

 

reagenta: 

 

 

 

 [

   ]