2012-02-24

1

Wykład 2

Stężenia. Reakcje w roztworach.

1

CHEMIA FIZYCZNA

Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego

Wydział Nauk o Żywności

Wykład 1.

Podstawy termodynamiki

dr inż. Bożena Parczewska-Plesnar

Katedra Chemii

WNoŻ, bud. 32, p. 2035

E-mail: [e-mail]

Cel przedmiotu:

Opanowanie podstawowych metod eksperymentalnej chemii

fizycznej z opracowywaniem i interpretacją wyników pomiarów,

stosowaniem i właściwym przeliczaniem jednostek układu

Poznanie podstawowych teorii opisu zjawisk i właściwości

fizykochemicznych (w szczególności wybranych zagadnień
termodynamiki).

Pogłębienie wiadomości związanych ze strukturą materii,

właściwościami różnych stanów skupienia, równowag fazowych,

właściwości układów koloidowych.

Poznanie wybranych metod analizy instrumentalnej
(elektrochemicznych, optycznych i spektrofotometrycznych).

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

2

2012-02-24

2

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

3

Realizacja programu:



wykład: 7 x 2 godz.+1godz. = 15 godzin



ćwiczenia laboratoryjne: 5 x 3 godziny = 15 godzin.

Konsultacje:



Środa, pok. 2035 – godz. 13.15-15.00.

Podręcznik:

Bryłka J., Więckowska-Bryłka E., Stępniak S., Bortnowska-Bareła:
Eksperymentalna chemia fizyczna, Wyd. SGGW, Warszawa
2007, wyd. III zmienione.

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

4

Regulamin zaliczenia przedmiotu chemia fizyczna



Zajęcia laboratoryjne - ćwiczenia w zespołach 2– lub 3– osobowych
zgodnie z harmonogramem.

Obowiązkowe są fartuchy laboratoryjne.



Każdy zespół ćwiczeniowy wykonuje 5 ćwiczeń. Na początku każdych zajęć
studenci piszą kolokwium złożone z 2 pytań. Co najmniej jedno z pytań jest
zawsze zadaniem. Każde pytanie oceniane jest w skali 0–5 punktów.



Z każdego ćwiczenia studenci przygotowują pisemne sprawozdanie w
formacie A4 (jedno na zespół) zawierające wszystkie wyniki pomiarów i
opracowanie tych wyników zgodne z opisem w podręczniku.



Liczba punktów z ćwiczeń laboratoryjnych jest sumą punktów uzyskanych
z:

5 kolokwiów (5 x 2 pytania x 5 punktów = 50 punktów) i 5 pisemnych

sprawozdań (5 x 3 punkty = 15 punktów) i wynosi maksymalnie 65 punktów.



Warunkiem koniecznym do zaliczenia ćwiczeń laboratoryjnych jest
wykonanie wszystkich pięciu ćwiczeń praktycznych (ewentualną
nieobecność trzeba odrobić) i uzyskanie minimum 51% czyli 33 pkt.



Studenci, którzy nie uzyskają 33 pkt, a mają wykonane i zaliczone wszystkie
ćwiczenia praktyczne, mogą pisać kolokwium wyjściowe z całości materiału
ćwiczeniowego po zakończeniu ćwiczeń. Kolokwium wyjściowe można
poprawiać tylko raz.

Zaliczenie przedmiotu wymaga uzyskania zaliczenia zarówno z

materiału wykładowego jak i zaliczenia ćwiczeń laboratoryjnych.

2012-02-24

3

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

5



Materiał wykładowy jest rozliczany w formie kolokwium wykładowego
ocenianego w skali 0-

35 pkt. Kolokwium to musi być zaliczone na co

najmniej 17,5 pkt. Można je poprawiać tylko raz.



Łącznie z ćwiczeń laboratoryjnych i kolokwium wykładowego można
uzyskać maksymalnie 65 + 35 = 100 pkt.



Punkty z ćwiczeń laboratoryjnych i kolokwium wykładowego będą
sumowane

pod warunkiem zaliczenia obu części, tzn. uzyskania min. 33 pkt

z ćwiczeń i 17,5 pkt z kolokwium wykładowego. Końcowa ocena z
przedmiotu jest wystawiana wg skali ocen:



Skala ocen:



Osoby, które zaliczyły materiał wykładowy lub materiał ćwiczeniowy w
trybie poprawkowym mogą uzyskać tylko ocenę dostateczną za zaliczenie
przedmiotu.

Liczba punktów

Ocena

50,5

– 60 pkt

dst

60,5

– 70 pkt

dst plus

70,5

– 80 pkt

db

80,5

– 90 pkt

db plus

90,5

– 100 pkt

bdb

Regulamin zaliczenia przedmiotu chemia fizyczna

Jednostki wg układu SI

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

6

Wielkość

Nazwa

Symbol

Jednostki podstawowe w układzie SI

Długość

metr

m

Masa

kilogram

kg

Czas

sekunda

s

Natężenie prądu elektrycznego

amper

A

Temperatura termodynamiczna

kelwin

K

Ilość materii

mol

mol

Światłość

kandela

cd

Jednostki uzupełniające używane w układzie SI

Kąt płaski

radian

rad

Kąt bryłowy

steradian

sr

2012-02-24

4

Jednostki pochodne układu SI



Jednostki pochodne - jednostki które można wyrazić

poprzez jednostki podstawowe i uzupełniające.

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

7

Mechanika

wielkość

nazwa

oznaczenie

w jednostkach

podstawowych

siła

niuton

N

kg·m·s

-2

ciśnienie

paskal

Pa

kg·m

-1

·s

-2

energia, praca

dżul

J

kg·m

2

·s

-2

moc

wat

W

kg·m

2

·s

-3

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

8

Optyka

wielkość

nazwa

oznaczenie

w jednostkach

podstawowych

strumień świetlny

lumen

lm

cd·sr

natężenie oświetlenia luks

lx

cd·sr·m

-2

Atomistyka

wielkość

nazwa

oznaczenie

w jednostkach

podstawowych

dawka pochłonięta

grej

Gy

m

2

·s

-2

aktywność ciała
promieniotwórczego

bekerel

Bq

s

-1

2012-02-24

5

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

9

Jednostki wielokrotne i podwielokrotne

Przedrostki

Mnożnik

nazwy

oznaczenia

giga

G

1.000.000.000 =

10

9

mega

M

1.000.000 =

10

6

kilo

k

1.000 =

10

3

hekto

h

100 =

10

2

deka

da

10 =

10

1

decy

d

0,1 =

l0

-1

centy

c

0,01 =

10

-2

mili

m

0,001 =

10

-3

mikro

µ

0,000.001 =

10

-6

nano

n

0,000.000.001 =

10

-9

piko

p

0,000.000.000.001 =

10

-12

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

10

Elektromagnetyzm

wielkość

nazwa oznaczenie

w jednostkach

podstawowych

ładunek elektryczny

kulomb

C

A·s

napięcie elektryczne

wolt

V

kg·m

2

·s

-3

·A

-1

pojemność elektryczna

farad

F

kg

-1

·m

-2

·s

4

·A

2

rezystancja

om

Ω

kg·m

2

·s

-3

·A

-2

przewodność elektryczna simens

S

kg

-1

·m

-2

·s

3

·A

2

strumień magnetyczny

weber

Wb

kg·m

2

·s

-2

·A

-1

indukcja magnetyczna

tesla

T

kg·s

-2

·A

-1

indukcyjność

henr

H

kg·m

2

·s

-2

·A

-2

2012-02-24

6

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

11

• Jednostką podstawową długości jest metr [m].
Jednostką wielokrotną jest kilometr:

1 kilometr = 1 km = 1000 m = 10

3

m.

Jednostkami podwielokrotnymi są:

1 decymetr = 1 dm = 10

–1

m,

1 centymetr = 1 cm = 10

–2

m,

1 milimetr = 1 mm = 10

–3

m.

Długości fal promieniowania elektromagnetycznego oraz

wymiarów atomów i cząsteczek podaje się często w takich
jednostkach jak:

1 mikrometr = 1 µm = 10

–6

m,

1 nanometr = 1 nm = 10

–9

m,

oraz stosując jednostki nielegalne:

1 mikron = 1 µm = 10

–6

m

1 angstrem = 1Å = 10

–8

cm = 10

–10

m.

Przykłady:

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

12

Zadanie1.
Wyraź 25 dm w:
a) metrach, b) centymetrach, c) milimetrach.
Rozwiązanie:
a) Ponieważ 1 dm = 10

–1

m

stąd: 25 dm = 25

·

1 dm = 25 ·10

–1

m = 2,5 m

b) Ponieważ 1 cm = 10

–2

m  1 m = 10

2

cm, a

1 dm = 10

–1

m = 10

-1

·

10

2

cm = 10

1

cm = 10 cm,

stąd: 25 dm = 25 · 10 cm= 250 cm
c) Ponieważ 1 mm = 10

–3

m



1 m = 10

3

mm, a

1 dm = 10

–1

m = 10

-1

·

10

3

mm = 10

2

mm,

stąd: 25 dm = 25 · 10

2

mm= 2500 mm

2012-02-24

7

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

13

Zadanie2.
Wyraź objętość:
a) 30 dm

3

w m

3

,

b) 1500 cm

3

w m

3

i dm

3

.

Rozwiązanie:
a)
1 dm

3

= (1 dm)

3

=(10

–1

m)

3

= 10

-3

m

3

30 dm

3

= 30·10

–3

m

3

= 3,0·10

–2

m

3

b)
1 cm

3

= (1 cm)

3

= (10

-2

m)

6

= 10

–6

m

3

1500 cm

3

= 1500 ·10

–6

m

3

= 1,5·10

3

·

10

–6

m

3

=1,5

·

10

–3

m

3

1 cm

3

= (10

–1

dm)

3

= 10

–3

dm

3

1500 cm

3

= 1500 ·10

–3

dm

3

= 1,5·10

3

·10

–3

dm

3

= 1,5 dm

3

Opracowywanie i prezentacja wyników pomiarów



Sporządzając wykres ręcznie (na papierze

milimetrowym) dbamy o jak największą

dokładność właściwie dobierając skale na
osiach X i Y.



Wykreślając prostą lub krzywą

prezentującą wyznaczaną zależność, nigdy

nie rysujemy łamanej łączącej punkty

pomiarowe, tylko prostą lub gładką krzywą

najlepiej opisującą te punkty.



Korzystając z programu komputerowego

wykreślamy oprócz punktów pomiarowych

także linię trendu i polecamy wydruk jej

równania .

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

14

Wyniki pomiarów powinny być zestawiane w formie odpowiednich tabel, a

ponadto obrazowane na wykresach (ręcznie lub za pomocą programów
komputerowych).

Należy stosować się do następujących zasad:



Obliczenia przeprowadzamy z największą dokładnością na jaką pozwalają
dane.



Nie wykonujemy zaokrągleń dopóki nie uzyskamy ostatecznego wyniku.



Właściwie określamy zmienną niezależną i zależną [y=f(x), x-zmienna

niezależna, y-zmienną zależna; to y zależy od x, a nie odwrotnie.

2012-02-24

8

Opracowywanie i prezentacja wyników pomiarów c.d.

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

15



Szczególnie użyteczne są wykresy liniowe.



Linia prosta jest wykresem funkcji liniowej y (stąd jej nazwa) pewnego
argumentu x, którą można zapisać w postaci:

y = Ax + B

gdzie A i B są stałymi.



Określenie funkcji sprowadza się do określenia stałych A i B. Jeżeli znamy
pewne pary wartości x i y (są to wyniki pomiarów), to na ich podstawie
wykonujemy wykres, który następnie stanowi przedmiot opracowania.



Zaczynamy od tworzenia skali. Na osi poziomej (osi X) określamy skalę
zmiennej niezależnej (argumentu funkcji), na osi pionowej (Y) skalę
wartości funkcji.



Skale powinny być tak dobrane, aby obejmowały pełen zakres zmierzonych
wartości. Osie muszą być opisane przez podanie wielkości i jednostek.
Określamy wartości znaczników osi (uwaga: nie określamy na osiach
współrzędnych punktów pomiarowych, a jedynie definiujemy znaczniki).

Opracowywanie i prezentacja wyników pomiarów c.d.

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

16



Mając tak przygotowaną powierzchnię w odpowiednich miejscach
wyraźnie zaznaczamy punkty pomiarowe. Następnie – o ile to możliwe –
rysujemy linię prostą w taki sposób, aby przechodziła ona pomiędzy
wszystkimi punktami pomiarowymi i zarazem tak, aby wszystkie punkty
były od tej prostej mniej więcej jednakowo i możliwie jak najmniej
oddalone.



Wyznaczenie funkcji wymaga określenia współczynników A i B prostej.
Współczynnik B możemy odczytać bezpośrednio z wykresu określając
wartość funkcji y dla argumentu x = 0. Czasem współczynnik B przyjmuje
wartość 0.



Na ogół bardziej interesujący jest współczynnik A, gdyż zawiera on w sobie
poszukiwaną wielkość. Parametr ten, zwany jest współczynnikiem
kierunkowym lub nachyleniem prostej.

2012-02-24

9

Opracowywanie i prezentacja wyników pomiarów c.d.

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

17



Aby określić współczynnik A obieramy dwa dowolne (nie całkiem) punkty
P

1

i P

2

leżące na prostej (najlepiej aby jeden był z początku, a drugi z końca

badanego przedziału) i określamy współrzędne (x

1

, y

1

) oraz (x

2

, y

2

) tych

punktów



Ponieważ dla każdej pary współrzędnych jest spełnione równanie prostej,
czyli:

y

1

= Ax

1

+ B

y

2

= Ax

2

+ B

stąd otrzymujemy:

Uwagi:



P

1

i P

2

są dowolnymi punktami

leżącymi na wykreślonej linii. W

żadnym wypadku nie mogą to być

punkty pomiarowe znajdujące się

obok wykreślonej prostej.

1

2

1

2

x

x

y

y







A

0

20

40

60

80

100

0

5

10

15

20

25

X

Y

P

1

P

2

x

1

x

2

y

2

y

1



Współczynnik kierunkowy A nie jest tangensem kąta i nie może być tak

nazywany. Tangens jest funkcją, której wartościami są bezwymiarowe liczby

rzeczywiste. Współczynnik kierunkowy z reguły ma określony wymiar

(jednostkę) i ma też określony sens fizyczny.

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

18

Chemia fizyczna pozostaje w takiej relacji do
innych działów chemii jak filozofia do
wszystkich nauk.

Jej podstawowym celem jest powiązanie
różnych działów chemii; zatem może być
nazywana „filozofią chemii” (S.L. Bigelow,
1912)

2012-02-24

10

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

19

Termodynamika



Termodynamika chemiczna zajmuje się

badaniem wymiany energii między układem a
otoczeniem podczas przemian
fizykochemicznych, przewidywaniem możliwości
samorzutnego przebiegu dowolnych przemian i
opisem układów, które w wyniku takich przemian
osiągnęły stan równowagi termodynamicznej.



Jest dziedziną nauki posługującą się opisem

makroskopowym, tzn. stosuje wielkości
makroskopowe (dające się zdefiniować bez
wprowadzania pojęcia atomu i cząsteczki), takie
jak temperatura, ciśnienie, skład chemiczny itp.



Otaczający nas Wszechświat zbudowany jest z

nieskończonej praktycznie liczby substancji.
Poszczególnym badaniom poddajemy tylko małą
jego część. Obiektem zainteresowań
termodynamiki jest układ.

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

20

Układ termodynamiczny



Układem

nazywamy substancję lub zespół substancji poddanych

konkretnej obserwacji.



To, co znajduje się poza układem, nazywamy jego

otoczeniem

. Układ

może być oddzielony od otoczenia wyraźną granicą (np. ściankami
naczynia) lub granicą umowną.



Wiele układów jest tak zbudowanych, że można odróżnić

poszczególne ich części, zwane

fazami układu

. Fazą nazywamy część

układu oddzieloną wyraźną granicą - powierzchnią od pozostałej
części. Powierzchnia ta nosi nazwę

granicy faz

lub powierzchni

granicznej.

Układ

Otoczenie

Fazy

Granica

układu

Granica

faz



Właściwości w każdym punkcie

danej fazy są identyczne.



Właściwości elementów

leżących po różnych stronach
granicy faz są różne.

2012-02-24

11

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

21

Rodzaje układów termodynamicznych

Z punktu widzenia wymiany materii (masy i energii) między układem a

otoczeniem układy dzielimy na trzy grupy:

Układ izolowany

- nie wymienia materii z

otoczeniem (ani na sposób masy ani na

sposób energii).

energia

masa

energia

masa

energia

masa

Układ zamknięty

- wymienia z otoczeniem

energię (na sposób ciepła, pracy lub kwantów

promieniowania) ale nie wymienia masy. Układ

zamknięty może być:



zamknięty adiabatycznie – nie wymienia

energii na sposób ciepła (układ jest

izolowany termicznie), ale może wymieniać

energię na skutek wykonania pracy (np. ruch

tłoka)



zamknięty diatermicznie – wymienia energię

na sposób ciepła jak i na sposób pracy.

Układ otwarty

-

wymienia z otoczeniem materię

zarówno na sposób masy jak i energii.

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

22

Stan układu

Stanem układu
nazywamy jego

sytuację opisaną
zestawem
zmiennych, zwanych
parametrami stanu.

Parametry stanu

układu

Ekstensywne

-

Proporcjonalne do
ilości materii w
układzie:
• masa
• objętość

Intensywne

-

Niezależne od ilości

materii w układzie:

• temperatura
• ciśnienie
• ułamek molowy

Reguła Duhema
Stan termodynamiczny układu jest jednoznacznie określony jeżeli

znane są ilości każdego składnika oraz dodatkowo dwa parametry.

Układ może być:

jednofazowy

wielofazowy

jednoskładnikowy

wieloskładnikowy

Składnik

– substancja chemiczna (pierwiastek lub związek chemiczny)

niezależnie od swego stanu skupienia

2012-02-24

12

23

lód

woda

Przykłady:

Układ jednoskładnikowy
dwufazowy

Olej
(mieszanina
tłuszczów)

woda

Układ wieloskładnikowy
dwufazowy

nasycony
roztwór CuSO

4

wodzie

kryształy CuSO

4

Układ dwuskładnikowy
dwufazowy

Układ wieloskładnikowy
jednofazowy

24

Liczbę stopni swobody określa

Dla każdego układu można określić liczbę parametrów intensywnych,

które można niezależnie zmieniać nie powodując zmiany liczby faz

układu w stanie równowagi

– jest to

liczba stopni swobody z

.

Reguła faz Gibbsa

z = s - f +2

s

– liczba składników, f - liczba faz

Przykłady:

1) W układzie dwuskładnikowym składającym się z cieczy (roztwór) i

pozostającej z nim w równowadze pary (s=2, f=2) liczba stopni
swobody wynosi
z = 2 -2 +2 = 2.

Oznacza to, że możemy zmieniać w pewnym zakresie np. ciśnienie i

temperaturę i układ nadal będzie dwufazowy.
2) W układzie jednoskładnikowym składającym się z pozostających w

równowadze ciała stałego, cieczy i pary (s=1, f=3) liczba stopni
swobody wynosi
z = 1 -3 +2 = 0.

Nie możemy zmienić żadnego parametru. Jest tylko jedna

temperatura i ciśnienie, przy której występuje równowaga trzech faz

(punkt potrójny).

2012-02-24

13

Wykład 1

25

Prawo zachowania materii

Materia występuje w dwóch formach: masy i energii (w procesach

zachodzących w przyrodzie i w laboratoriach jedne postacie materii

przechodzą w inne, ale ilość materii nie zmienia się).

Prawo zachowania energii można zdefiniować w różny sposób, np.

energia układu izolowanego jest stała.

Prawo zachowania masy mówi, że sumaryczna masa substratów

wziętych do reakcji jest równa łącznej masie produktów z nich
otrzymanych

Wiadomo, że ani prawo zachowania masy ani prawo zachowania energii

nie są w pełni ścisłe (wobec E=m

.

c

2

), ale mogą być stosowane jako

oddzielne prawa w obliczeniach podczas przemian fizycznych i

chemicznych (z wyjątkiem przemian jądrowych).

Równoważność masy i energii można zapisać w postaci podanej przez
Einsteina:

E=m

.

c

2

W żadnym procesie materia nie powstaje z niczego ani nie ginie.

W chemii klasycznej (z pominięciem procesów jądrowych) obie formy

energii rozważa się niezależnie.

Właściwości funkcji stanu

:



wartość liczbowa funkcji stanu danego stanu ukłaadu jest
funkcją parametrów określających ten stan



mają określoną wartość liczbową opisującą dany stan
(niezależnie od drogi na jakiej ten stan osiągnięto)



zmiana wartości funkcji stanu zależy tylko od stanu końcowego
(B) i początkowego (A)



f = f

B

– f

A



wartości liczbowe funkcji stanu można dodawać i odejmować



różniczka funkcji stanu f = f(x,y) jest różniczką zupełną:

dy

dy

df

dx

dx

df

df

x

y





























Wykład 1

Podstawy termodynamiki

26

Termodynamiczne funkcje stanu:



Energia wewnętrzna U



Entalpia H



Entropia S

Parametry stanu określają stan układu. Do opisu stanu układu, a w
szczególności przemian zachodzących w układzie, służą specjalne
do tego zdefiniowane funkcje, zwane funkcjami stanu.



Energia swobodna F



Entalpia swobodna G

2012-02-24

14

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

27

Procesy termodynamiczne

Jest tylko jeden rodzaj energii, ale wiele dróg (sposobów)
przekazywania energii od układu do otoczenia lub odwrotnie.

Podział energii na energię chemiczną, cieplną, mechaniczną,
promieniowania elektromagnetycznego itd., należy traktować jako
podział na drogi (sposoby) przekazywania energii.

W termodynamice przez proces rozumiemy przemianę, podczas
której następuje zmiana parametrów stanu układu.

Często jeden z parametrów stanu nie zmienia się i w związku z tym
wyróżniamy procesy:



izotermiczne - gdy T=const,



izobaryczne - gdy p=const,



izochoryczne - gdy V=const,



adiabatyczne - gdy Q=0 (Q -

energia wymieniana na sposób ciepła

między układem a otoczeniem).

Możliwe jest jednoczesne wystąpienie stałości dwóch parametrów, np.
p i T, v i T czy p i V.

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

28

Procesy termodynamiczne

Do opisu przemiany w termodynamice stosujemy funkcje stanu, czyli
funkcje, których wartości liczbowe są jednoznacznie określone przez
parametry stanu. Zmiana funkcji stanu w dowolnym procesie nie
zależy od drogi procesu, a tylko od początkowego i końcowego stanu
układu.

Drogą procesu (przemiany) nazywamy zespół stanów, podczas
których układ przechodzi od stanu początkowego do stanu
końcowego.

Wielkość fizyczna, za pomocą której obiektywnie charakteryzujemy
stan cieplny substancji nazywamy temperaturą. Podstawą do
pomiaru temperatury jest tzw.

zerowa zasada termodynamiki

.

Jeżeli układy A i B są w stanie równowagi termicznej z układem
C, to są one również w stanie równowagi termicznej względem
siebie.

E.A. Guggenheim, R. Fowler (1939)

Zasady termodynamiki

-

zwięzłe uogólnienia faktów doświadczalnych uznane

za aksjomaty; służą do definiowania funkcji stanu oraz określania związków
między nimi i parametrami mierzalnymi.

2012-02-24

15

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

29

Energia wewnętrzna

Energia wewnętrzna określa całkowity zasób energii jakiegoś ciała. Z

punktu widzenia molekularnej struktury materii na energię wewnętrzną

składają się:

Energia wewnętrzna to funkcja stanu, którą oznaczamy

U [J] , [dla 1 mola substancji J

.

mol

-1

].

1)

energia wszelkich ruchów wykonywanych przez

cząsteczki i atomy-energia ruchu postępowego

(translacji), ich ruchów obrotowych (rotacji)

oraz ruchów drgających (oscylacji) wewnątrz

cząsteczek;

2)

energia oddziaływań pomiędzy elektronami,

pomiędzy jądrami atomowymi oraz pomiędzy

elektronami a jądrami;

3)

energia oddziaływań pomiędzy nukleonami w

jądrach atomowych.

Określenie bezwzględnej wartości U nie jest możliwe. Podaje się
wartości zmian tej funkcji termodynamicznej:
dU

– zmiana U w procesie elementarnym



U

– zmiana U w procesie skończonym przejścia ze stanu (p) do

stanu (k) dla wielkości mierzalnych

Doświadczenia J.P.Joule’a (1841 - 1850)

1

– naczynie

kalorymetryczne,

2

– mieszadło,

3

– izolacja cieplna,

4

– układ napędzający

mieszadło,

5

– ciężar wykonujący

pracę w polu
grawitacyjnym,

6

– termometr

Joule prowadził badania nad bezpośrednią zamianą energii
mechanicznej i elektrycznej na ciepło.

2012-02-24

16

31

Wnioski sformułowane na podstawie doświadczeń Joule’a



Określona praca wykonana na układzie adiabatycznym powoduje

identyczny wzrost jego temperatury niezależnie od sposobu jej
wykonania



Ponieważ taki sam efekt można osiągnąć dostarczając do układu

zamkniętego diatermicznie energię na sposób ciepła, to oba

sposoby wymiany energii są sobie równoważne.

Wymiana energii z otoczeniem:
Całkowita energia układu zamkniętego zmienia się na skutek
wymiany ciepła lub pracy z otoczeniem



U = Q + W

dU = Q

el

+ W

el

= Q

el

+ W

el,obj

+ W

el

Ogólny zasób energii jest niezmienny. Jeżeli zwiększa się zasób
energii wybranego układu, to wyłącznie kosztem zmniejszenia
zasobu energii otoczenia o dokładnie taką samą wartość.

W układzie izolowanym całkowita ilość energii pozostaje stała,
niezależna od przemian dokonujących się w układzie.

U = const dU = 0



U = 0

PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI

Wykład 1

Podstawy termodynamiki

32

Zmiany energii układu

Pomimo że zmiana energii wewnętrznej



U zależy tylko od stanu

początkowego i końcowego danego układu, wymiana ciepła ani

wymiana pracy z otoczeniem takiej właściwości nie wykazują.

Od drogi nie zależy tylko suma obu wielkości, każda z nich z osobna

zmienia się zależnie od sposobu, w jaki zostaje przeprowadzona dana
przemiana.

Przyjęta obecnie konwencja znakowania efektów
energetycznych nosi nazwę znakowania z punktu widzenia
układu.

Wynika z niej, że
energia dostarczona
do układu (na sposób
ciepła lub pracy) ma
wartość dodatnią,
natomiast energia
przekazana przez
układ otoczeniu ma
znak ujemny.



U = Q +W

Q > 0

Q < 0

W > 0

W < 0