32. Zdefiniuj układ termodynamiczny, parametry układu i funkcje go opisujące

Układem termodynamicznym nazywamy mikroskopowy zbiór cząsteczek. Stanowi on część przestrzeni materialnej będącej przedmiotem. Pozostała część przestrzeni nazywana jest otoczeniem. Układ ten jest oddzielony od otoczenia albo rzeczywistą przestrzenią materialną albo przestrzenią abstrakcyjną (badaną), która stanowi brzeg materialny lub abstrakcyjny tego układu. Ze względu na właściwości brzegu rozróżnia się trzy typy układu termodynamicznego:

1. układ izolowany- brzeg układu ma takie właściwości, że uniemożliwia wymianę

materii i energii pomiędzy układem a otoczeniem.

2. układ zamknięty- następuje wymiana energii pomiędzy układem a otoczeniem, nie

występuje wymiana materii.

3. układ otwarty- dopuszczona jest wymiana zarówno energii jak i materii pomiędzy

układem a otoczeniem.

Układ termodynamiczny może być homogeniczny (jednofazowy) jeżeli makroskopowe właściwości fizykochemiczne w różnych miejscach układu są jednakowe lub heterogeniczny (wielofazowy) jeżeli w pewnych częściach układu (fazy) następuje nieciągła zmiana wartości przynajmniej jednej właściwości fizykochemicznej układu.

Stan układu termodynamicznego można określić za pomocą parametrów.

Parametry układu to wielkości fizyczne, które charakteryzują fizyczne właściwości układu. Określają one jego stan. Są to wielkości, która są niezależne od innych czynników. Parametry te dzielimy na makroskopowe i mikroskopowe.

Parametry makroskopowe:

1. ciśnienie- wielkość skalarna równa wartości składowej normalnej siły z jaką ciało

działa na powierzchnię jednostkową podłoża. Opisuje je wzór:

p= Fn/ S gdzie Fn- składowa siła prostopadła do powierzchni(N)

S- powierzchnia (m²)

Jednostką w jakiej wyrażamy ciśnienie w układzie SI jest Paskal.

[p]= N/ m²= Pa

2. objętość- miara przestrzeni przypadająca na jednostkę masy danego ciała. Wielkość charakterystyczna dla materiału, z którego wykonane jest ciało. Wyrażana jest w metrach sześciennych (m³).

V= m/ g gdzie m.- masa ciała (kg)

g- gęstość ciała (kg/ m³)

[v]=kg/ (kg/ m³)= kg* m³/ kg= m³

Objętość molowa- objętość jaką zajmuje 1 mol substancji w warunkach normalnych. Objętość dowolnego gazu wynosi 22,414 dm³.

3. temperatura- skalarna wielkość fizyczna określająca stan cieplny określonej substancji. Jest miarą stopnia nagrzania ciała. Jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu cząsteczek tworzących dany układ i jest miara tej energii. Temperatura bezwzględna podawana jest w Kelvinach (K)

Parametry mikroskopowe:

1. ilość substancji- może być wyrażana poprzez masę lub w ilości moli.

Wyrażając ja przez masę obliczamy ją ze wzoru:

V= m/g po przekształceniu m.= V * g

[m.]= m³ * kg/ m³ = kg

Funkcje opisujące układ termodynamiczny to wielkości fizyczne określające stan układu. Mają te właściwość, że ich zmiana jest równa różnicy wartości funkcji w stanie końcowym i początkowym, nie zależy natomiast od sposobu w jaki ta zmiana została wykonana. Głównymi funkcjami opisującymi układ termodynamiczny są: energia wewnętrzna, entropia i entalpia.

1. energia wewnętrzna- może być przekazywana od jednego układu do drugiego w procesie wykonywania pracy lub przekazywania ciepła. Proces musi przebiegać zgodnie z zasadą zachowania energii - wyraża to I zasada termodynamiki:

„przyrost energii wewnętrznej układu (U₂- U₁) jest równa sumie dostarczonego mu ciepła Q i dostarczonej pracy W”.

[U]= J

U₂- U₁= Q + W [Q]= J

[W]= J

Energia wewnętrzna wyrażana jest w dżulach.

Jest ona równa sumie wszystkich rodzajów energii cząsteczek i atomów, które tworzą dany układ.

ΔU= Q + W - ciepło jest dostarczane do układu a praca wykonywana jest nad układem.

ΔU= Q - W - ciepło jest dostarczane do układu a praca jest wykonywana przez układ. Energia układu w tym przypadku maleje. Proces ten zachodzi przy przemianie izobarycznej.

ΔU= - Q _­­­­+ W - ciepło jest oddawane przez układ a praca jest wykonywana nad układem.

ΔU= Q - do układu dostarczane jest tylko ciepło.

ΔU= W - do układu nie jest dostarczane ciepło, jest wykonywana tylko praca nad układem. Proces ten zachodzi przy przemianie adiabatycznej.

2. entalpia - ilość ciepła dostarczanego układowi w przemianie izobarycznej. Przyrost entalpii ΔH jest równy ilości ciepła dostarczonego do układu w przemianie izobarycznej. Zmiana entalpii jest miarą ciepła reakcji.

ΔU= Q + W po przekształceniu Q= ΔU - W

gdy ΔH< 0 - reakcja jest egzotermiczna (układ oddaje energie do otoczenia).

gdy ΔH>0 - reakcja jest endotermiczna (układ pobiera energię z otoczenia).

3. entropia - jest funkcją stanu określającą w jakim kierunku mogą zachodzić procesy w

układzie izolowanym. W układach wymieniających ciepło z otoczeniem zmiana entalpii

może być większa lub mniejsza od zera, może być też zerem.

Ogólny wzór na entropię:

ΔS = ΔQ/ T

Poniższy wzór określa nam prawdopodobieństwo wystąpienia danego procesu.

S= k * LnP gdzie k- stała Boltzmanna

P- prawdopodobieństwo wystąpienia procesu

Największe prawdopodobieństwo wystąpienia procesu jest gdy proces zachodzi spontanicznie - Entropia wtedy rośnie. Proces spontaniczny zachodzi w układzie otwartym i jest procesem nieodwracalnym- może zachodzić tylko w jednym kierunku, zmienia otoczenie (którego już więcej zmienić nie można).

ΔS > ΔQ/ T

Prawdopodobieństwo wystąpienia procesu nie zmienia się w przypadku procesu wymuszonego. W tym przypadku entropia jest równa zeru. Proces wymuszony zachodzi w układzie zamkniętym i nie wprowadza stałym zmian otoczenia jest więc procesem odwracalnym. Może on zachodzić w dwóch kierunkach.

ΔS = ΔQ/ T

---