FIZYKA CZĄSTECZKOWA I TERMODYNAMIKA

Transkrypt

1 FIZYKA CZĄSTECZKOWA I TERMODYNAMIKA Fizyka - cząsteczkowa Dział fizyki badający budowę i własności aterii przy założeniu, że każde ciało składa się z dużej liczby bardzo ałych cząsteczek. Cząsteczki te znajdują się w ciągły chaotyczny ruchu, którego intensywność zależy od teperatury. Terodynaika - Bada jedynie akroskopowe własności ciał oraz akroskopowe zjawiska, nie interesuje się ich obraze ikroskopowy. Podstawą terodynaiki są zasady terodynaiki. Wielkości stosowane do opisu atoów i cząsteczek (Względna) Masa - atoowa, A r Stosunek asy atou danego pierwiastka do 1/12 asy atou 12 C. (Względna) Masa - cząsteczkowa, M r Stosunek asy cząsteczki danej substancji do 1/12 asy atou 12 C. Fizyka cząsteczkowa i terodynaika 1

2 Wielkości stosowane do opisu atoów i cząsteczek, cd. Atoowa - jednostka asy, j Jednostka asy równa 1/12 asy atou 12 C. 27 j = 1,66 10 kg = 1D (dalton) 1D asa atou wodoru. Mol - Ilość substancji zawierająca taką saą liczbę cząstek co 0,012 kg izotopu 12 C. Wielokrotności i podwielokrotności: kilool (kol), iliol (ol), ikrool (μol). Liczba - Avogadra, N A - Liczba cząstek w olu substancji. N A = 6, ol 23 1 Masa olowa, µ - Masa ola substancji. = = NA A r j NAMrj Fizyka cząsteczkowa i terodynaika 2

3 Stan układu Układ - Zbiór rozważanych ciał. Stan równowagi - terodynaicznej (stan równowagowy) Stan, w który układ oże znajdować się dowolnie długo. W ty stanie wszystkie paraetry stanu ają określone wartości i nie zieniają się. Paraetry stanu - Paraetry fizyczne jednoznacznie określające stan równowagi terodynaicznej. Stan - nierównowagowy Stan, w który niektóre paraetry stanu nie ają określonej wartości. Jeżeli na osiach układu współrzędnych odkładay wartości pewnych dwóch paraetrów, to każdy stan równowagi układu jest reprezentowany na wykresie przez punkt. Fizyka cząsteczkowa i terodynaika 3

4 Przeiana Przeiana - (proces) Przejście układu z jednego stanu do drugiego (na ogół przez ciąg stanów nierównowagowych). Przeiana - równowagowa (kwazistatyczna, odwracalna) Przeiana składająca się z ciągłego zbioru kolejnych stanów równowagi. Rzeczywiste przeiany ogą być uważane za równowagowe, o ile zachodzą odpowiednio powoli. Wszystkie ilościowe rozważania terodynaiki dotyczą stanów równowagi i procesów odwracalnych. Fizyka cząsteczkowa i terodynaika 4

5 Energia wewnętrzna układu Energia - wewnętrzna ciała Całkowita energia tego ciała z wyłączenie jego energii kinetycznej jako całości oraz energii potencjalnej w zewnętrznych polach. Stanowi suę energii oddziaływań iędzycząsteczkowych i wewnątrzcząsteczkowych układu oraz energii ruchu cieplnego cząsteczek. Energia wewnętrzna układu ciał jest równa suie energii wewnętrznych każdego z tych ciał oraz energii oddziaływania iędzy eleentai układu. Energia wewnętrzna jest funkcją stanu układu. Funkcja stanu - układu Za każdy raze, gdy układ jest w dany stanie, funkcja stanu a tę saą wartość, niezależnie od historii układu. Energię wewnętrzną oznaczay literą U. Fizyka cząsteczkowa i terodynaika 5

6 Ziany energii wewnętrznej Energia wewnętrzna oże się zieniać w wyniku dwóch procesów: - wykonywania pracy W przez układ nad ciałai zewnętrznyi, - dostarczania do układu ciepła Q. Wykonywanie pracy wiąże się z przeieszczanie ciał zewnętrznych oddziaływujących na układ. Ciepło - Przepływ energii wywołany nieuporządkowanyi ruchai cząsteczek otoczenia lub przyczyniający się do wzożenia takich ruchów w otoczeniu. Ilość energii przekazywanej przez jedno ciało drugieu określay pracą W lub ilością ciepła Q, w zależności od rodzaju zjawisk odpowiedzialnych za transport energii. Fizyka cząsteczkowa i terodynaika 6

7 Pierwsza zasada terodynaiki U2 U1 = Q W (zasada zachowania energii) Q= U2 U1+ W Pierwsza zasada terodynaiki Ciepło dostarczone do układu jest zużywane na przyrost energii wewnętrznej tego układu i na wykonywanie przez układ pracy nad ciałai zewnętrznyi. Ilość ciepła Q ożna wyrażać tyi sayi jednostkai, co pracę i energię. W układzie SI jednostką ciepła jest dżul (J). (1 J = 0,24 cal, 1 cal = 4,18 J). W postaci różniczkowej pierwsza zasada terodynaiki zapisywana jest jako dq = du + dw Fizyka cząsteczkowa i terodynaika 7

8 Praca wykonana przez ciało w przypadku ziany jego objętości Infinitezyalne przesunięcie tłoka o W = F h= ps h= p h odpowiada pracy: W postaci różniczkowej: dw = p d Przy stały ciśnieniu: W12 = p ( 2 1 ) Ogólnie, dla dowolnych przeian: W 12 2 = 1 p d Przedstawienie zian objętości na wykresie ( p, ) Praca przy zianie objętości od 1 do 2 jest liczbowo równa polu ograniczoneu osią, krzywą p= f( ) oraz prostyi 1 i 2. Inna fora I zasady terodynaiki: dq = du + p d Fizyka cząsteczkowa i terodynaika 8

9 Równanie stanu gazu doskonałego (równanie Clapeyrona) Równanie stanu - Równanie wiążące paraetry stanu Gaz doskonały - Gaz, w który oddziaływania iędzycząsteczkowe są poijalnie ałe. Każdy gaz rzeczywisty pod odpowiednio ały ciśnienie a własności zbliżone do gazu doskonałego. Stan gazu doskonałego jest określony przez trzy paraetry: p - ciśnienie, - objętość, T - teperatura. Badania doświadczalne, a także rozważania teoretyczne pokazują, że w przypadku gazu doskonałego paraetry te łączy prosty związek. Równanie gazu doskonałego: p T = const Fizyka cząsteczkowa i terodynaika 9

10 Równanie stanu gazu doskonałego, cd. p T = const Prawo Avogadra - W warunkach, scharakteryzowanych przez te sae wartości paraetrów p i T, ol każdego gazu zajuje tę saą objętość. Np. w tzw. warunkach noralnych dla jednego ola gazu ay: T = 273,15 K (0 C) p p= = = = = 22,4 l/ol = 22,4 10 /ol 5 1at 1, Pa R 8,31 T 3 3 ol K J R - uniwersalna stała gazowa. Dla dowolnej asy gazu: p = RT Wprowadźy stałą Boltzanna: k R = = 1,38 10 N A 23 J p = NA kt = NkT, N - liczba cząsteczek w asie. K Fizyka cząsteczkowa i terodynaika 10

11 Równanie stanu gazu doskonałego, cd. p = N kt p = nkt, n N = - liczba cząsteczek w jednostce objętości. Przy ustalonej objętości ciśnienie gazu doskonałego jest wprost proporcjonalne do teperatury. Z tego względu gaz doskonały jest używany jako ciało teroetryczne. Biorąc ciśnienie jako cechę teroetryczną, otrzyuje się teroetr o idealnie liniowej skali teperatur, tzw. doskonałej gazowej skali teperatur. Praktyczne znaczenie a tzw. epiryczna skala teperatur, zbudowana w oparciu o zastosowanie równania p = nkt dla wodoru. Fizyka cząsteczkowa i terodynaika 11

12 Pojeność cieplna Pojeność cieplna - ciała, C c Ilość ciepła potrzebna do tego, aby podwyższyć teperaturę ciała o jeden kelwin. C c dq dt = [ ] C = c J K Ciepło właściwe, c - Pojeność cieplna jednostki asy substancji c C c = [ ] c = J kg K Molowe ciepło - właściwe, C Pojeność cieplna jednego ola substancji C cµ = [ ] J C = ol K Otrzyujey stąd, że dla ciała o dowolnej asie zachodzi Cc = c = C Fizyka cząsteczkowa i terodynaika 12

13 Pojeność cieplna w stałej objętości Przy zianach teperatury ciała w stałej objętości ciało nie wykonuje pracy nad otoczenie ( dw = 0) i całe ciepło zaienia się na wzrost energii wewnętrznej ( dq = du ). C c dq U = = dt T C c = C Indeks oznacza tu, że przekazywanie ciepła dq dotyczy takich warunków, kiedy objętość układu pozostaje stała. Ciepło olowe w takich warunkach oznacza się przez Dla dowolnej asy gazu doskonałego zachodzi: U C. du C dt = C T oraz = Pojeność cieplna przy stały ciśnieniu C cp dq p = cp p dt C = C Przy zianach teperatury ciała przy stały ciśnieniu oprócz zian energii wewnętrznej wykonywana jest praca ( dq = du + p d ). p Dla jednego ola gazu doskonałego ay: Cp = C + R Fizyka cząsteczkowa i terodynaika 13

14 Przeiany gazu doskonałego Spośród wielu ożliwych przeian gazu doskonałego na wyróżnienie zasługują przeiany, w których - oprócz równania stanu - spełniony jest dodatkowy warunek określający rodzaj przeiany Rodzaj przeiany Izobaryczna Dodatkowy warunek Równanie stanu p = const / T = const Izochoryczna = const p/ T = const Izotericzna T = const p = const Adiabatyczna dq = 0 p κ = const, κ C p / C Fizyka cząsteczkowa i terodynaika 14

15 Przeiany gazu doskonałego, cd. Izotera: p = const Adiabata: p κ = const, ( κ > 1). Przykłade przeiany adiabatycznej oże być sprężanie i rozprężanie gazu przy rozchodzeniu się w gazie fali dźwiękowej, w odniesieniu do ałych objętości. Fizyka cząsteczkowa i terodynaika 15

16 Przeiany gazu doskonałego, cd. Przykłady przeian jednego ola gazu doskonałego w zakresie teperatur od 300 K do 400 K oraz w zakresie objętości od do Wszystkie przeiany zachodzą na powierzchni o równaniu p = RT. Fizyka cząsteczkowa i terodynaika 16