Chemia Fizyczna wykład z dnia 1.04.2005

Termodynamika zajmuje się przemianami energetycznymi układów termodynamicznych.

Termodynamika klasyczna zajmuje się układami makroskopowymi

Granice układu - duże otoczenie względem układu

Faza - makroskopowo oddzielony podukład

Układ wybieramy tak aby był wyraźnie oddzielony od otocznia

Otoczenie jest zawsze duże w porównaniu z układem - dodanie/zabranie czegoś z otoczenia nie zmienia go - ma dużą pojemność

Energia - wielkość fizyczna charakteryzująca układ (ciało) związana z oddziaływaniami (siłami) zdolnymi do wywołania ruchu

E_całk = E_kinet + E_pot + U (energia wewnętrzna)

Różnorodność form energii powoduje niemożliwość określenia wartości całkowitej energii układu.

Termodynamika zajmuje się zmianami energii w układach (∆U, dU), a nie wartościami bezwzględnymi.

Energia układu jest funkcją parametrów stanu. Układ np. U(T.p.n) - jest jednoznaczna (jednemu zestawowi jedna wartość). Układ ma energię wewnętrzną zależną od temp. Ciśnienia, ilości moli substancji.

Energia wewnętrzna (U) - suma energii wszystkich cząsteczek w układzie.

Praca - to ilość energii przekazana poprzez uporządkowany (ukierunkowany) ruch.

Ciepło - ilość energii przekazanej poprzez nieuporządkowany (chaotyczny) ruch cząsteczek.

Temperatura - jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek układu - żeby średnia wzrosła należy dodać energii (rozkład Boltzmana - rozkład zbliżony do rozkładu dzwonowego - średnie energie są najbardziej reprezentowane - jeśli zbiór jest dostatecznie duży.

Umownie:

+ zysk w stosunku do układu

- strata w stosunku do układu

Parametry stanu układu - wielkości fizyczne charakteryzujące stan układu, wielkości makroskopowe mierzalne takie jak: masa, gęstość, ciśnienie, temperatura, natężenie pola elektrycznego itp.

Parametry dzielimy na:

• ekstensywne (addytywne) - zależne od masy (m, n, V)

• intensywne - niezależne od masy (T, d, p)

Proces termodynamiczny to taka zmiana stanu układu, przy której zmienia się wartość choćby jednego parametru układu - zmiana parametru (∆) - różnica między wartością końcową i początkową

Termodynamika nie zajmuje się szybkością tego procesu ale stanem początkowym i końcowym.

Procesy:

Egzo - odpływ energii z układu ∆E<0

Endo - dopływ energii do układu ∆E>0

Klasyfikacja układów termodynamicznych

• izolowane (odosobnione) - brak wymiany energii i masy z otoczeniem (np. naczynie termostatyczne) praktycznie niemożliwe do osiągnięcia.

• Nieizolowane:

Otwarte - wymiana masy i energii z otoczeniem

Zamknięte - wymiana tylko energii z otoczeniem

Układy z punktu widzenia biologii

- komórka - układ otwarty - procesy mogą biegnąć stale. Wszystkie układy żywe są otwarte

Cechy układów biologicznych

• wieloskładnikowość

• wielofazowość (niejednorodność) są podukłady pomiędzy którymi są wyraźne granice.

• Nieciągłośc

• Otwartość

• Nierównowagowość - w rownowadze nie ma procesów

• Specyficzność

Funkcje termodynamiczne:

- Energia wewnętrzna (U) - suma wszystkich rodzajów energii wszystkich cząsteczek w układzie

U = E_całk - E_kin - E_pot

- Entalpia (H)

H = U + pV

∆H = ∆U + ∆(pV) = ∆U + p∆V + V∆p

- Entropia (S) - funkcja reprezentująca nieuporządkowanie układu.

∆S =

im mniejsza entropia tym układ bardziej uporządkowany

- Entalpia swobodna (potencjał Gibbsa G)

G = H - TS

∆G = ∆H - T∆S - S∆T

Są to funkcje określające stan termodynamiczny układu, zależne tylko od tego stanu określone przez parametry stanu, niezależne od sposobu (drogi) dojścia do tego stanu (funkcje stanu)

Rodzaje procesów

• izotermiczny - T = const ∆T = 0

• izochoryczny - V = const ∆V = 0

• izobaryczny - p = const ∆p = 0

• adiabatyczny - Q = 0

Praca objętościowa:

W = F * dx

Gdy F(x) ≠ const

W = ∑ ( F_i*dx_i) =

Gdy F(x) = const

W= -p∆v PRACA OBJĘTOŚCIOWA (-) bo strata objętości czyli (∆V jest ujemne): wartość pracy dodatnia i wszystko ok.

I ZASADA TERMODYNAMIKI

Dla procesów izolowanych, niezależnie od procesów ∆U=0 - zasada zachowania energii

Dla układów zamkniętych ∆U = Q + W_obj + W_nieobj

Energia wewnętrzna układu zmienia się albo w procesach cieplnych, albo w wyniku pracy (zmieniającej objętość lub nie)

Praca nieobjętościowa to np. praca prądu elektrycznego

Dla układów otwartych ∆U = Q + W_obj + W_nieobj + ∆U_m m - masa

Gdy W_{nieob j}= 0 a układ jest zamknięty to wtedy ∆U = Q + W_obj

∆U = Q - p∆V

Gdy proces jest izochoryczny ∆U = Q_v V = const

Gdy p= const ∆U≠Q proces izobaryczny, wtedy wygodniejsza jest entalpia H=U+pV

∆H = ∆U + ∆(pV) = ∆U + p∆V +V∆p = Q - p∆V + p∆V + V∆p = Q + V∆p

gdy p=const : ∆H = Q_p proces izobaryczny

Odwracalne i nieodwracalne rozprężanie gazu doskonałego

Jeśli proces biegnie powoli możliwe jest odwrócenie procesu (prawie)

Procesy quasistatyczne modeluję procesy odwracalne

Stan końcowy jest taki sam dla obu przypadków.

Odwracalność nie odnosi się do rodzaju układu, tylko do procesu.

Proces odwracalny - to proces po zajściu którego układ może powrócić do stanu początkowego tak aby i otoczenie powróciło do stanu początkowego.

Proces quasi - statyczny - proces, w którym nieskończenie mała zmiana wartości parametrów wystarcza do odwrócenia jego kierunku.

Realne procesy przebiegające bardzo powoli można traktować jako quasi - statyczne lub odwracalne.

Z notatek Tomka przepisał Mauryś - pozdro i miłej nauki

3

---