Substancja, masa, energia

Transkrypt

1 Sbst energ 0ZT Sbstancja, masa, energia Miarą ilości sbstancji jest liczba atomów i cząsteczek, z których skłaa się sbstancja. W procesie fizycznym ilość sbstancji jest niezależna o jej energii. Masa sbstancji jest miarą jej bezwłaności, a nie miarą jej ilości. Pomięzy masą a energią zachozi zależność Einsteina E mc 2 (1) gzie c = m/s jest prękością światła w próżni. Z równania (1) wynika, że masa i energia są miarami tej samej wielkości fizycznej. Przyrosty energii, z którymi mamy najczęściej o czynienia poczas przemian termoynamicznych, są na tyle niewielkie, że można masę ważać za niezmienną. Masa może być wówczas żywana jako miara ilości sbstancji. W procesach fizycznych oprowazając energię o sbstancji zwiększamy energię robin wchozących w jej skła, czyli energię sbstancji, a nie energię jej masy. Jenostki ilości sbstancji 1 kilomol jest to ilość sbstancji zawierająca taką samą liczbę cząsteczek, jaka znajje się w 12 kg nkli węgla C 12. Nkliem nazywa się atom o określonej liczbie nkleonów (protonów i netronów). Nkliy posiaające tę samą liczbę protonów, a różniące się liczbą netronów (ta sama liczba atomowa i różne liczby masowe) reprezentją ten sam pierwiastek i nazywane są izotopami. 1 mowny kilogram (kg) jest to ilość sbstancji, która w mownych warnkach oniesienia ma masę 1 kg. Zamiast jenostki kg zwykle żywamy po prost jenostki kg, pamiętając, że wyraża ona ilość sbstancji, a nie masę. Pomięzy ilością sbstancji w kg a ilością sbstancji w kmol zachozi relacja m kg nkmol Mkg / kmol (2) 1 m 3 (mowny metr sześcienny) jest to ilość sbstancji zawartej w 1 m 3 gaz oskonałego lb półoskonałego o ściśle określonym ciśnieni p i temperatrze T. Parametry p, T nazywamy parametrami mownymi. Najczęściej przyjmje się następjące wartości parametrów mownych: p = 1 bar, T = 273,15 K ( t 0 C), które nazywa się parametrami mownymi SI. Spotykane są jeszcze fizyczne parametry mowne (1 Atm, 0C) i techniczne parametry mowne (1 at, 0C). Prawo Avogara: 1

2 Sbst energ 0ZT Jenakowe objętości różnych gazów oskonałych lb półoskonałych mających te same temperatry i ciśnienia zawierają jenakowe liczby cząstek. Ponieważ 1 kmol owolnego gaz (oskonałego lb półoskonałego) zawiera tę samą liczbę robin, wnioskjemy z prawa Avogara, że objętość 1 kmol owolnego gaz ma taką samą wartość, zależną tylko o ciśnienia i temperatry gaz. Dla warnków mownych SI objętość ta wynosi 3 V m Mv,71 n Mv 22 (3a) kmol V n (3b) Objętość 1 kmol gaz w owolnych warnkach mownych można obliczyć z termicznego równania stan pv n( MR) T (4) Po przekształceni równania (4) i postawieni p p ; T T ; ( MR) 8314, 3J / ( kmol K); n 1 kmol (5) otrzymjemy V 1kmol T, p (6) Wyprowazenie zależności m kg nkmol Mkg / kmol 2

3 Sbst energ 0ZT m kg nkmol N / kmol m kg M kmol 1 (7) wz m ilość sbstancji w kg n ilość sbstancji w kmol N kmol liczba cząsteczek w 1 kmol sbstancji m wz ilość sbstancji we wzorc, czyli w 1/12 atom nkli węgla C 12 m wz M ilość sbstancji w jenej cząsteczce Równanie (7) la 1 kmola nkli węgla C 12 12kg 1 N kmol m 12 (8) Z (8) wynika, że wz N m 1 (9) kmol wz Po postawieni (9) o (7) ostajemy kg nkmol Mkg kmol m / (10) M masa molowa w kg/kmol, która jest przelicznikiem jenostek równym liczbowo masie cząsteczkowej (lb atomowej); Zasaa zachowania ilości sbstancji Dla procesów fizycznych zasaę zachowania ilości sbstancji można przestawić za pomocą równania n n n kmol (11) w gzie: Δn przyrost ilości sbstancji w kłazie n ilość sbstancji oprowazonej o kła n w ilość sbstancji wyprowazonej z kła Z równania (11) otrzymjemy n n n (11a) w Przyrost ilości sbstancji w kłazie efiniowany jest jako różnica pomięzy ilością sbstancji na końc przemiany a ilością sbstancji na początk przemiany. n n n (11b) konc pocz W przypak kła zamkniętego jest 3

4 Sbst energ 0ZT n n 0 (12) stą w n 0 (13) a równanie (11) praszcza się o postaci n 1 n2 n k (14) gzie wskaźniki przy n oznaczają kolejne stany sbstancji. Z równania (14) wynika, że w procesie fizycznym kła zamkniętego liczba robin nie zmienia się. Dla innych jenostek ilości sbstancji równanie (11) przyjmje opowienio postacie m m m kg (15) w V 3 V Vw m (16) Energia Całkowita energia kła termoynamicznego jest równa smie makroskopowej energii kinetycznej, makroskopowej energii potencjalnej i reszty nazwanej energią wewnętrzną E Ek Ep U (17) W skła energii wewnętrznej kła wchozą: energia kinetyczna rch postępowego i obrotowego robin energia rch rgającego atomów w robinie energia potencjalna w pol wzajemnego przyciągania się robin energia stanów elektronowych energia chemiczna, związana z możliwością przebowy robin energia jąrowa Do wykonania typowych obliczeń technicznych z regły wystarcza znajomość przyrostów energii poczas przemian termoynamicznych, a nie całkowitej energii kła, określonej z wzglęnieniem wszystkich wyżej wymienionych skłaników. Dlatego też stan oniesienia, la którego energia wewnętrzna ciała jest przyjmowana jako równa zer, można przyjąć owolnie. W obliczeniach otyczących fizycznych przemianach termoynamicznych nie ma potrzeby wzglęniania tych skłaników energii wewnętrznej, które nie legają zmianie poczas analizowanego proces, np. energii jąrowej i energii chemicznej. W termoynamice technicznej istotna jest ta część energii wewnętrznej kła, której zmiana związana jest ze zmianą jego temperatry. 4

5 Sbst energ 0ZT Ciepło i praca mechaniczna Ciepło i praca są sposobami przekazywania, a nie rozajami energii. W oróżnieni o energii, ciepło i praca nie są parametrami stan, tzn. że przy przejści kła termoynamicznego o stan początkowego 1 o stan końcowego 2 ilość pracy wykonanej przez kła lb na kłaem oraz ilość wymienionego ciepła zależą o przebieg przemiany 1-2. Ponieważ energia jest parametrem stan, jej przyrost w przemianie 1-2 jest niezależny o rogi przemiany, tzn. la owolnej przemiany zrealizowanej pomięzy stanami 1 i 2 przyrost energii kła jest taki sam. Jeżeli jeyną przyczyną przepływ pewnej ilości energii pomięzy kłaem a otoczeniem jest różnica temperatr, to tę energię nazywamy energią przekazaną na sposób ciepła lb w skrócie ciepłem. Natomiast, jeżeli całkowity sktek przepływ pewnej ilości energii pomięzy kłaem a otoczeniem może być sprowazony o pionowego przemieszczenia jakiegoś ciężar, to tę ilość energii nazywamy energią przekazaną na sposób pracy mechanicznej lb skrótowo pracą mechaniczną. Zerowa zasaa termoynamiki Jeżeli każy z wóch kłaów znajje się w równowaze termicznej z jakimś trzecim kłaem, to również te wa kłay pozostają w równowaze termicznej. Zerowa zasaa termoynamiki możliwia sformłowanie makroskopowej efinicji temperatry. Można powiezieć, że temperatra jest parametrem stan, który ma jenakową wartość la wszystkich ciał pozostających w równowaze termicznej. Stanów równowagi termicznej może być nieskończenie żo, a każem z nich opowiaa inna temperatra. W interpretacji kinetycznej teorii gazów temperatra jest miarą śreniej energii kinetycznej rch śroków mas cząstek. 5

6 Sbst energ 0ZT 6