M10

Teoria

Układ termodynamiczny to dowolnie wybrana część wszechświata, której zachowanie jest rozpatrywane na podstawie zasad termodynamiki. Pozostały świat to Otoczenie termodynamiczne.

Typowe układy termodynamiczne to np. wnętrze silnika, naczynie z gazem lub cieczą, w którym zachodzi jakaś interesująca przemiana, lub np. obszar całej elektrowni, dla którego określa się przepływy ciepła.

Dzięki ograniczeniu danego zjawiska do układu można osobno rozpatrywać procesy wewnątrz układu i procesy wymiany energii między układem i otoczeniem, o którym dzięki temu nic nie musimy wiedzieć.

Układy termodynamiczne dzieli się na:

Wielkościami jednoznacznie określającymi stan układu w danym momencie są tzw. funkcje stanu. Są to wielkości fizyczne zależne od makroskopowych wielkości zwanych parametrami stanu. Są to : ciśnienie (p), objętość (V), temperatura (T) oraz liczność materii wyrażana jako liczba moli (n). Parametry stanu są powiązane równaniem Clapeyrona. Ma ono postać:

pV = nRT

Najważniejszą cechą każdej funkcji stanu jest jej niezależność od drogi przemiany. Ważna jest więc tylko wartość danej funkcji stanu na początku i na końcu każdej przemiany termodynamicznej. Natomiast nie jest ważny sposób, w jaki doszło do wykonania tej zmiany.

Do funkcji stanu zalicza się takie wielkości jak:

* energia wewnętrzna

* entalpia

* entropia

* energia swobodna

* entalpia swobodna.

Funkcjami stanu nie są zarówno praca jak i ciepło, nie spełniają bowiem nałożonych na te wielkości warunków.

Zasady termodynamiki, podstawowe prawa przyrody rządzące procesami zachodzącymi w układach termodynamicznych:

1) pierwsza zasada termodynamiki - zmiana energii wewnętrznej układu równa jest sumie ciepła dostarczonego do układu i pracy wykonanej nad układem. Zasada ta, równoważna jest zasadzie zachowania energii.


U = W + Q

Inaczej, że niezależnie od sposobu zrealizowania określonego procesu termodynamicznego, suma pracy wykonanej w czasie procesu i ciepła wymienionego w tym czasie między układem a otoczeniem jest zawsze taka sama.

2) druga zasada termodynamiki - istnieje entropia będąca funkcją stanu układu, stałą w odwracalnych procesach adiabatycznych i rosnącą we wszystkich innych. Zasadę ta mówi o tym że, kierunek wzrostu entropii może służyć do formalnego wyróżnienia kierunku upływu czasu (wszystkie inne prawa fizyki klasycznej nie ulegają zmianie przy zamianie przyszłości z przeszłością).

Inaczej można powiedzieć: w danych warunkach, określonych parametrami stanu układu i jego otoczenia oraz ilością energii wymienionej między układem a otoczeniem, kierunek procesu termodynamicznego może być tylko jeden; tzn. nie istnieje proces odwrotny do rzeczywistego.

3) trzecia zasada termodynamiki - entropia układu o ustalonych parametrach (np. o stałym ciśnieniu lub objętości) i temperaturze zmierzającej do zera bezwzględnego zmierza również do zera. Zasadę ta, pozwala obliczyć bezwzględną wartość entropii (określanej przedtem tylko z dokładnością do stałej).

Niekiedy nazwą czwartej zasady termodynamiki określa się twierdzenie Onsagera, a za zasadę tzw. zerową uznaje się twierdzenie głoszące, że dwa ciała będące w równowadze termodynamicznej z pewnym układem są w równowadze termodynamicznej ze sobą.



Termodynamiczne funkcje stanu:

Energia wewnętrzna - (ozn. zwykle jako U), część energii układu zależna tylko od jego stanu wewnętrznego, stanowi ona sumę energii oddziaływań międzycząsteczkowych i wewnątrzcząsteczkowych układu oraz energii ruchu cieplnego cząsteczek.

Jest jednym z parametrów (potencjałów) termodynamicznych. Według I zasady termodynamiki energia wewnętrzna stanowi jednoznaczną funkcję stanu, którą dla gazu można wyrazić przez dowolne dwa z trzech parametrów; ciśnienie, objętość, temperatura.

Entalpia H (zawartość ciepła) — w termodynamice i chemii wielkość fizyczna będąca funkcją stanu mająca wymiar energii, będąca też potencjałem termodynamicznym, oznaczana przez H, którą definiuje zależność widoczna poniżej:

H = U + pV

gdzie:

* H — entalpia układu

* U — energia wewnętrzna układu

* p — ciśnienie

* V — objętość.

Z powyższego wzoru wynika sens fizyczny entalpii. Entalpia jest równa sumie energii wewnętrznej, czyli energii jaka jest potrzebna do utworzenia układu gdy jest on tworzony w otoczeniu próżni oraz iloczynu pV, który jest równy pracy jaką należy wykonać nad otoczeniem by w danych warunkach uzyskać miejsce na układ.

Wszystkie wielkości definiujące entalpię są funkcjami stanu, dlatego entalpia też jest funkcją stanu.

Entropia – termodynamiczna funkcja stanu, określająca kierunek przebiegu procesów spontanicznych (samorzutnych) w odosobnionym układzie termodynamicznym. Jest wielkością ekstensywną. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, jeżeli układ termodynamiczny przechodzi od jednego stanu równowagi do drugiego, bez udziału czynników zewnętrznych (a więc spontanicznie), to jego entropia zawsze rośnie.

Bilans cieplny - w termodynamice to równanie opisujące sumę procesów cieplnych określonego układu termodynamicznego. W pewnym sensie kompletny zapis bilansu cieplnego jest równoważny sformułowaniu I zasady termodynamiki dla szczególnego przypadku analizowanego układu.

Bilans cieplny uwzględnia:

* sumę ciepła dostarczanego do układu z otoczenia

* sumę ciepła, którą układ wydziela na zewnątrz

* efekt cieplny procesów zachodzących wewnątrz układu

Zgodnie z I zasadą termodynamiki, różnica energii termicznej dostarczanej i wydzielonej z układu równa się zmianie energii wewnętrznej układu. Gdy w układzie nie zachodzą procesy zmieniające jego energię wewnętrzną lub suma energii tych procesów jest równa 0, ciepło dostarczane do układu musi być równe ciepłu wydzielanemu. Prowadzi to do wniosku, że w układzie zamkniętym, suma procesów cieplnych jaka w nim zachodzi nie może zmienić jego ogólnej energii wewnętrznej.

Każdy bilans ciepła można zapisać z "punktu widzenia" układu lub otoczenia.

Tradycyjnie, w konwencji termodynamicznej, bilans ciepła pisze się zawsze "z punktu widzenia" analizowanego układu. Stąd, w bilansie tym ciepło dostarczane dla układu jest zapisywane jako wartość dodatnia, a ciepło wydzielane jako wartość ujemna. Dla układów, w których przeważają procesy egzotermiczne (układ generuje energię termiczną) bilans ciepła przyjmuje zatem wartość ujemną, zaś w układach, w których przeważają procesy endotermiczne (układ pochłania ciepło), bilans ciepła przyjmuje wartość dodatnią.

Ciepło - w fizyce to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii układowi termodynamicznemu, polega na przekazywaniu energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących te układy; oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii.

Dla odróżnienia ciepła jako zjawiska fizycznego od ciepła jako wielkości fizycznej używa się określenia wymiana cieplna lub cieplny przepływ energii na określenie procesu, a ilość ciepła na wielkość fizyczną określającą zmianę energii wywołaną tym zjawiskiem.

Ciepło przepływa między ciałami, które nie znajdują się równowadze termicznej, tzn. gdy mają one różne temperatury i wywołuje zwykle zmianę temperatury. Ciała te muszą pozostawać ze sobą w kontakcie termicznym - musi istnieć możliwość przepływu ciepła.

Ciepło jest to więc proces prowadzący do wyrównania energii kinetycznych cząsteczek rozpatrywanego układu i jego otoczenia.

Temperatura- w myśl teorii Boltzmanna, temperaturę (gazu) rozumiemy jako parametr proporcjonalny do energii kinetycznej ruchu jego cząsteczek.


$$T = \frac{2E}{\text{ikn}}$$

Skąd to się bierze----kinetyczna teoria gazu doskonałego

pV = NRT (1)

!Każda część gazu zawiera tak dużo cząsteczek że do jego opisu można stosować reguły rachunku prawdopodobieństwa(w dowolnej chwili porusza się 1/3 cząstek w zbiorniku).

OZNACZENIA:
n- ilość cząstek gazu w zbiorniku (n=NxN0; N- ilość moli gazu, N0- liczba Avogadro)
m’- masa jednej cząsteczki gazu
$\overset{\overline{}}{v}$- średnia prędkość cząsteczki gazu między kolejnymi zderzeniami
V- objętość gazu.

$pV = \frac{1}{3}nm'{\overset{\overline{}}{v}}^{2}$ (2)
…średnia energia kinetyczna cząsteczki gazu doskonałego:

${\overset{\overline{}}{E}}_{k} = \frac{m'{\overset{\overline{}}{v}}^{2}}{2}\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }$(3)
…łącząc równanie (2) z (3) otrzymamy:

$pV = \frac{2}{3}n{\overset{\overline{}}{E}}_{\text{k\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }}$(4)
…prawe strony równań (1) i (4)muszą być sobie równe, więc:

$NRT = \frac{2}{3}n{\overset{\overline{}}{E}}_{\text{k\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }}$(5)

${\overset{\overline{}}{E}}_{k} = \frac{3}{2}\text{kT}$ (6)
…k oznacza tzw. Stałą Boltzmanna:

$k = \frac{\text{NR}}{n} = \frac{R}{N_{0}} \approx 1,4 \times 10^{- 23}\ J \times K^{- 1}$(7)

Rozważaliśmy sytuację jednej cząstki, dla ich dowolnej liczby równanie przybiera formę:

$E_{k} = \frac{3}{2}\text{nkT\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }$(8)

… a dla dowolnej liczby stopni swobody:

$E_{k} = \frac{i}{2}\text{nkT\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }$(9)

Proces topnienia.

Topnienie - przemiana fazowa, polegająca na przejściu substancji ze stanu stałego w stan ciekły.

Ciepło topnienia jest to ilość energii potrzebnej do stopienia jednostki masy danej substancji. W układzie SI jednostką ciepła topnienia jest J/kg (dżul na kilogram). Zależność ciepła pobranego przez substancję od masy substancji jest wyrażona wzorem

Q=m q

gdzie:

Q - ilość dostarczonego ciepła,

m - masa ciała,

q - ciepło topnienia.

Proces rozpuszczania.

Rozpuszczanie - proces fizykochemiczny polegający na takim zmieszaniu ciała stałego, gazu lub cieczy w innej cieczy lub gazie, że powstaje jednorodna, niemożliwa do rozdzielenia metodami mechanicznymi mieszanina. Mieszanina taka nazywana jest roztworem, zaś substancja, w której to się odbywa nazywana jest rozpuszczalnikiem.

Ciepło rozpuszczania - efekt cieplny towarzyszący procesowi rozpuszczania. W przypadku procesu rozpuszczania prowadzonego pod stałym ciśnieniem ciepło rozpuszczania jest równoważne entalpii tego procesu.

W procesie rozpuszczania substancji krystalicznych ulega zniszczeniu sieć krystaliczna kosztem pobrania z otoczenia energii równej tzw., energii sieciowej (Es). W drugim etapie powstałe cząsteczki lub jony ulegają procesowi solwatacji, czemu towarzyszy wydzielanie się energii (ΔHsolw). Zgodnie z prawem Hessa można to przedstawić w następujący sposób:

ΔHr = Es + ΔHsolw

gdzie ΔHr to sumaryczna entalpia rozpuszczania.

Proces rozpuszczania może być:


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
M10
m10 ekologia cwiczenie 13
M10 MOJE
M10 id 274913 Nieznany
Junak M10 Instrukcja Obsługi
DSM51 M10
m10
Junak M10 Katalog Części Zamiennych
22a, WETERYNARIA, Biofizyka, Sprawozdania, M10
¶ciaga fiza, UTP, II semestr, FIZYKA, Doświadczenia, M10
212 20- 20Wyznaczanie 20ciep B3a 20topnienia 20lodu 20za 20pomoc B9 20kalorymetru, WETERYNARIA, Biof
M10, UWM Weterynaria, Biofizyka - ćwiczenia
m10
m10 entalpia
m10, SPRAWOZDANIE
Junak M10 charakterystyka techniczna id 2
w15-m10, ╔══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════╗
m10 entropia

więcej podobnych podstron