2012-02-24
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego
Wydział Nauk o Żywności
CHEMIA FIZYCZNA
Wykład 1.
Podstawy termodynamiki
dr inż. Bożena Parczewska-Plesnar
Katedra Chemii WNoŻ, bud. 32, p. 2035
E-mail: [e-mail]
Wykład 2 Stężenia. Reakcje w roztworach.
1
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
1
2012-02-24
Realizacja programu:
l� wykład: 7 x 2 godz.+1godz. = 15 godzin
l� ćwiczenia laboratoryjne: 5 x 3 godziny = 15 godzin.
Konsultacje:
l� 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 3
Regulamin zaliczenia przedmiotu chemia fizyczna
Zaliczenie przedmiotu wymaga uzyskania zaliczenia zarówno z
materiału wykładowego jak i zaliczenia ćwiczeń laboratoryjnych.
�� 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.
Wykład 1 Podstawy termodynamiki 4
2
2012-02-24
Regulamin zaliczenia przedmiotu chemia fizyczna
l� 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.
l� A
ącznie z ćwiczeń laboratoryjnych i kolokwium wykładowego można
uzyskać maksymalnie 65 + 35 = 100 pkt.
l� 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:
l� Skala ocen:
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
l� Osoby, które zaliczyły materiał wykładowy lub materiał ćwiczeniowy w
trybie poprawkowym mogą uzyskać tylko ocenę dostateczną za zaliczenie
przedmiotu.
Wykład 1 Podstawy termodynamiki 5
Jednostki wg układu SI
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
Wykład 1 Podstawy termodynamiki 6
3
2012-02-24
Jednostki pochodne układu SI
l� Jednostki pochodne - jednostki które można wyrazić
poprzez jednostki podstawowe i uzupełniające.
Mechanika
w jednostkach
wielkość nazwa oznaczenie
podstawowych
siła niuton N kg�m�s-2
ciśnienie paskal Pa kg�m-1�s-2
energia, praca dżul J kg�m2�s-2
moc wat W kg�m2�s-3
Wykład 1 Podstawy termodynamiki 7
Optyka
w jednostkach
wielkość nazwa oznaczenie
podstawowych
strumień świetlny lumen lm cd�sr
natężenie oświetlenia luks lx cd�sr�m-2
Atomistyka
w jednostkach
wielkość nazwa oznaczenie
podstawowych
dawka pochłonięta grej Gy m2�s-2
aktywność ciała
bekerel Bq s-1
promieniotwórczego
Wykład 1 Podstawy termodynamiki 8
4
2012-02-24
Jednostki wielokrotne i podwielokrotne
Przedrostki
Mnożnik
nazwy oznaczenia
giga G 1.000.000.000 = 109
mega M 1.000.000 = 106
kilo k 1.000 = 103
hekto h 100 = 102
deka da 10 = 101
decy d 0,1 = l0-1
centy c 0,01 = 10-2
mili m 0,001 = 10-3
mikro � 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 9
Elektromagnetyzm
w jednostkach
wielkość nazwa oznaczenie
podstawowych
ładunek elektryczny kulomb C A�s
napięcie elektryczne wolt V kg�m2�s-3�A-1
pojemność elektryczna farad F kg-1�m-2�s4�A2
rezystancja om � kg�m2�s-3�A-2
przewodność elektryczna simens S kg-1�m-2�s3�A2
strumień magnetyczny weber Wb kg�m2�s-2�A-1
indukcja magnetyczna tesla T kg�s-2�A-1
indukcyjność henr H kg�m2�s-2�A-2
Wykład 1 Podstawy termodynamiki 10
5
2012-02-24
Przykłady:
" Jednostką podstawową długości jest metr [m].
Jednostką wielokrotną jest kilometr:
1 kilometr = 1 km = 1000 m = 103 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 �m = 10 6 m,
1 nanometr = 1 nm = 10 9 m,
oraz stosując jednostki nielegalne:
1 mikron = 1 �m = 10 6 m
1 angstrem = 1� = 10 8 cm = 10 10 m.
Wykład 1 Podstawy termodynamiki 11
Zadanie1.
Wyraz
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 ą� 1 m = 102 cm, a
1 dm = 10 1 m = 10-1 � 102 cm = 101 cm = 10 cm,
stąd: 25 dm = 25 � 10 cm= 250 cm
c) Ponieważ 1 mm = 10 3 m ą� 1 m = 103 mm, a
1 dm = 10 1 m = 10-1 � 103 mm = 102 mm,
stąd: 25 dm = 25 � 102 mm= 2500 mm
Wykład 1 Podstawy termodynamiki 12
6
2012-02-24
Zadanie2.
Wyraz
objętość:
a) 30 dm3 w m3,
b) 1500 cm3 w m3 i dm3.
Rozwiązanie:
a)
1 dm3 = (1 dm)3 =(10 1 m)3 = 10-3 m3
30 dm3 = 30�10 3 m3= 3,0�10 2 m3
b)
1 cm3 = (1 cm)3 = (10-2 m)6 = 10 6 m3
1500 cm3 = 1500 �10 6 m3 = 1,5�103 � 10 6 m3 =1,5 � 10 3 m3
1 cm3 = (10 1 dm)3 = 10 3 dm3
1500 cm3 = 1500 �10 3 dm3 = 1,5�103 �10 3 dm3 = 1,5 dm3
Wykład 1 Podstawy termodynamiki 13
Opracowywanie i prezentacja wyników pomiarów
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:
l� Obliczenia przeprowadzamy z największą dokładnością na jaką pozwalają
dane.
l� Nie wykonujemy zaokrągleń dopóki nie uzyskamy ostatecznego wyniku.
l� Właściwie określamy zmienną niezależną i zależną [y=f(x), x-zmienna
niezależna, y-zmienną zależna; to y zależy od x, a nie odwrotnie.
l� Sporządzając wykres ręcznie (na papierze
milimetrowym) dbamy o jak największą
dokładność właściwie dobierając skale na
osiach X i Y.
l� Wykreślając prostą lub krzywą
prezentującą wyznaczaną zależność, nigdy
nie rysujemy łamanej łączącej punkty
pomiarowe, tylko prostą lub gładką krzywą
najlepiej opisującą te punkty.
l� Korzystając z programu komputerowego
wykreślamy oprócz punktów pomiarowych
także linię trendu i polecamy wydruk jej
równania .
Wykład 1 Podstawy termodynamiki 14
7
2012-02-24
Opracowywanie i prezentacja wyników pomiarów c.d.
l� Szczególnie użyteczne są wykresy liniowe.
l� 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.
l� 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.
l� Zaczynamy od tworzenia skali. Na osi poziomej (osi X) określamy skalę
zmiennej niezależnej (argumentu funkcji), na osi pionowej (Y) skalę
wartości funkcji.
l� 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).
Wykład 1 Podstawy termodynamiki 15
Opracowywanie i prezentacja wyników pomiarów c.d.
l� Mając tak przygotowaną powierzchnię w odpowiednich miejscach
wyraz
nie 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.
l� 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.
l� Na ogół bardziej interesujący jest współczynnik A, gdyż zawiera on w sobie
poszukiwaną wielkość. Parametr ten, zwany jest współczynnikiem
kierunkowym lub nachyleniem prostej.
Wykład 1 Podstawy termodynamiki 16
8
2012-02-24
Opracowywanie i prezentacja wyników pomiarów c.d.
l� Aby określić współczynnik A obieramy dwa dowolne (nie całkiem) punkty
P1 i P2 leżące na prostej (najlepiej aby jeden był z początku, a drugi z końca
badanego przedziału) i określamy współrzędne (x1, y1) oraz (x2, y2) tych
punktów
l� Ponieważ dla każdej pary współrzędnych jest spełnione równanie prostej,
czyli:
Y
y1 = Ax1 + B
P2
100
y2
y2 = Ax2 + B
stąd otrzymujemy: 80
y2 -� y1
A =� 60
x2 -� x1
Uwagi:
40
l�P1 i P2 są dowolnymi punktami
P1
leżącymi na wykreślonej linii. W 20
y1
żadnym wypadku nie mogą to być
0
punkty pomiarowe znajdujące się
x1
0 5 10 15 20 25
x2
obok wykreślonej prostej.
X
l�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 17
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)
Wykład 1 Podstawy termodynamiki 18
9
2012-02-24
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 19
Podstawy termodynamiki
Układ termodynamiczny
��Układem nazywamy substancję lub zespół substancji poddanych
konkretnej obserwacji.