Termodynamika Część 6 Związki i tożsamości termodynamiczne Potencjały termodynamiczne Warunki równowagi termodynamicznej Potencjał chemiczny

Podobne dokumenty
Termodynamika. Część 4. Procesy izoparametryczne Entropia Druga zasada termodynamiki. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Termodynamika Część 7 Trzecia zasada termodynamiki Metody otrzymywania niskich temperatur Zjawisko Joule'a Thomsona Chłodzenie magnetyczne

Wykład 3. Entropia i potencjały termodynamiczne

Podstawy termodynamiki

Przegląd termodynamiki II

Termodynamika Część 3

Krótki przegląd termodynamiki

TERMODYNAMIKA FENOMENOLOGICZNA

4 Przekształcenia pochodnych termodynamicznych

Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

Termodynamiczny opis przejść fazowych pierwszego rodzaju

Fizyka statystyczna Potencjały termodynamiczne i warunki równowagi Geometria Drugiej Zasady Termodynamiki

Zasady termodynamiki

Podstawowe pojęcia 1

Elementy termodynamiki

Wykład Temperatura termodynamiczna 6.4 Nierówno

Kryteria samorzutności procesów fizyko-chemicznych

Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów

Miejsce biofizyki we współczesnej nauce. Obszary zainteresowania biofizyki. - Powrót do współczesności. - obiekty mikroświata.

Elementy termodynamiki i wprowadzenie do zespołów statystycznych. Katarzyna Sznajd-Weron

Podstawy termodynamiki

Elementy termodynamiki

Wykład 1. Anna Ptaszek. 5 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 1. Anna Ptaszek 1 / 36

Termodynamika. Cel. Opis układu niezależny od jego struktury mikroskopowej Uniwersalne prawa. William Thomson 1. Baron Kelvin

Termodynamika Część 2

WYKŁAD 2 TERMODYNAMIKA. Termodynamika opiera się na czterech obserwacjach fenomenologicznych zwanych zasadami

II Zasada Termodynamiki c.d.

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Termodynamika materiałów

Podstawowe pojęcia Masa atomowa (cząsteczkowa) - to stosunek masy atomu danego pierwiastka chemicznego (cząsteczki związku chemicznego) do masy 1/12

Rozważmy nieustalony, adiabatyczny, jednowymiarowy ruch gazu nielepkiego i nieprzewodzącego ciepła. Mamy następujące równania rządzące tym ruchem:

Termodynamika (1) Bogdan Walkowiak. Zakład Biofizyki Instytut Inżynierii Materiałowej Politechnika Łódzka. poniedziałek, 23 października 2017

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Wykład 4. Przypomnienie z poprzedniego wykładu

Termodynamika. Część 11. Układ wielki kanoniczny Statystyki kwantowe Gaz fotonowy Ruchy Browna. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Funkcje termodynamiczne określają stan układu termodynamicznego

7 Warunki równowagi termodynamicznej

Fizyka statystyczna Fenomenologia przejść fazowych. P. F. Góra

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

3 Potencjały termodynamiczne i transformacja Legendre a

1. PIERWSZA I DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI TERMOCHEMIA

Przemiany termodynamiczne

Stany równowagi i zjawiska transportu w układach termodynamicznych

Obraz statyczny układu

Termodynamika. Krzysztof Golec Biernat. (26 października 2017) Wersja robocza nie do dystrybucji. Rzeszów/Kraków

Chemia Fizyczna Technologia Chemiczna II rok Wykład 1. Kierownik przedmiotu: Dr hab. inż. Wojciech Chrzanowski

Termodynamika. Krzysztof Golec Biernat. (7 maja 2017) Wersja robocza nie do dystrybucji. Rzeszów/Kraków

I. Podstawowe pojęcia termodynamiki Termodynamika (nauka o transformacjach energii; zajmuje się badaniem efektów energetycznych przemian fizycznych i

Fizyka statystyczna Zasady Termodynamiki

Układ termodynamiczny Parametry układu termodynamicznego Proces termodynamiczny Układ izolowany Układ zamknięty Stan równowagi termodynamicznej

Wykład 4. II Zasada Termodynamiki

Zespół kanoniczny N,V, T. acc o n =min {1, exp [ U n U o ] }

Maszyny cieplne substancja robocza

Fizyka statystyczna Zerowa Zasada Termodynamiki. P. F. Góra

Równowaga w układach termodynamicznych. Katarzyna Sznajd-Weron

Termodynamika. Energia wewnętrzna ciał

Wykład 10 Równowaga chemiczna

Zadania z Termodynamiki

Podstawy fizyki sezon 1 X. Elementy termodynamiki

powierzchnia rozdziału - dwie fazy ciekłe - jedna faza gazowa - dwa składniki

Podstawowe prawa opisujące właściwości gazów zostały wyprowadzone dla gazu modelowego, nazywanego gazem doskonałym (idealnym).

termodynamika fenomenologiczna

Agata Fronczak Elementy fizyki statystycznej

= = Budowa materii. Stany skupienia materii. Ilość materii (substancji) n - ilość moli, N liczba molekuł (atomów, cząstek), N A

Wykład 6. Klasyfikacja przemian fazowych

TERMODYNAMIKA. przykłady zastosowań. I.Mańkowski I LO w Lęborku

Wykład 3. Zerowa i pierwsza zasada termodynamiki:

Fizyka Termodynamika Chemia reakcje chemiczne

WYKŁAD 12 ENTROPIA I NIERÓWNOŚĆ THERMODYNAMICZNA 1/10

Energetyka odnawialna i nieodnawialna

Równowagi fazowe. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

reakcja niespontaniczna reakcja w równowadze

Zasady termodynamiki fenomenologicznej

Wykład Praca (1.1) c Całka liniowa definiuje pracę wykonaną w kierunku działania siły. Reinhard Kulessa 1

TERMODYNAMIKA I TERMOCHEMIA

1 Równanie stanu gazu doskonałego

Ćwiczenia rachunkowe z termodynamiki technicznej i chemicznej Zalecane zadania kolokwium 1. (2014/15)

Elementy termodynamiki chemicznej. Entalpia:

Materiały do zajęć dokształcających z chemii nieorganicznej i fizycznej. Część IV - Elementy termodynamiki i kinetyki chemicznej

TERMODYNAMIKA ATMOSFERY

Fizyka statystyczna. This Book Is Generated By Wb2PDF. using

(1) Równanie stanu gazu doskonałego. I zasada termodynamiki: ciepło, praca.

CHEMIA FIZYCZNA ZTiM

Wykład FIZYKA I. 14. Termodynamika fenomenologiczna cz.ii. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Fizyka statystyczna Zasady Termodynamiki. P. F. Góra

Temperatura jest wspólną własnością dwóch ciał, które pozostają ze sobą w równowadze termicznej.

TERMODYNAMIKA. Pojęcia podstawowe. TERMODYNAMIKA pojęcia podstawowe

Pierwsza zasada termodynamiki, przemiany termodynamiczne, praca techniczna

ZADANIA Z FIZYKI - TERMODYNAMIKA

Biofizyka. wykład: dr hab. Jerzy Nakielski. Katedra Biofizyki i Morfogenezy Roślin

Wykład 6: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

Szkła specjalne Przejście szkliste i jego termodynamika Wykład 5. Ryszard J. Barczyński, 2017 Materiały edukacyjne do użytku wewnętrznego

Termodynamika. materiały do wykładu

3.1. Równowagi fazowe układach jednoskładnikowych 3.2. Termodynamika równowag fazowych 3.3. Równowagi fazowe układach dwuskładnikowych 3.4.

Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej

Termodynamika. Część 5. Procesy cykliczne Maszyny cieplne. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Wykład 5. Kalorymetria i przejścia fazowe

Warunki izochoryczno-izotermiczne

ZADANIA Z CHEMII Efekty energetyczne reakcji chemicznej - prawo Hessa

Transkrypt:

Termodynamika Część 6 Związki i tożsamości termodynamiczne Potencjały termodynamiczne Warunki równowagi termodynamicznej Potencjał chemiczny Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Związek pomiędzy równaniem stanu i energią wewnętrzną ( Równanie kalorymetryczne ) Z podstawowego równania termodynamiki du = T ds p dv ds = 1 T du pdv U = U,V = du U dt U dv V ds = 1 U dt 1 [ U p] T V T dv Z kryterium Eulera [ 1 U ] T = { 1 [ U p]} V T

Związek pomiędzy równaniem stanu i energią wewnętrzną ( Równanie kalorymetryczne ) [ 1 U ] T = { 1 [ U p]} V T Obliczając pochodne 1 T 2 U = 1 T 2 [ U p] 1 [ 2 U T ] V uwzględniając 2 U = 2 U otrzymujemy U =T p V

Gaz doskonały p = nrt V = nr V V U T = p = nrt V V p= 0 Gaz van der Waalsa p = nrt V nb n2 a V 2 V = nr V nb U =T p = nrt V V nb p = n2 a V 2 U = n2 a V n f gdzie f (T) jest nieokreśloną funkcją temperatury.

Związek pomiędzy pojemnościami cieplnymi C p i C V Wcześniej (wykład 3) wyprowadziliśmy wzór C p = C V [ p U ] p Wykorzystując równanie kalorymetryczne U =T p V otrzymujemy C p C V = T V p Gaz doskonały: C p C V = n R Gaz van der Waalsa: C p C V = 1 2na RT nr V nb 2 V 3 nr 1 2na RTV

Związek pomiędzy pojemnościami cieplnymi C p i C V C p C V = T V p Wykorzystując związek p V = 1 otrzymujemy C p C V = T p 2 p Uwzględniając definicje współczynnika objętościowej rozszerzalności cieplnej α oraz współczynnika ściśliwości izotermicznej κ α = 1 V ( ) p κ = 1 V ( ) T otrzymujemy C p C V = α 2 κ 1 TV Ponieważ κ > 0, to dla wszystkich substancji C p C V

Zmiana temperatury w procesie adiabatycznym Wykł. 3, slajd 16: [ đ Q =C V dt p U ] dv =0 C p = C V [ p U ] p Obliczając nawias prostokątny z drugiego równania i wstawiając do pierwszego C V dt C p C V p dv =0 czyli dt 1 p dv =0 Uwzględniając definicję współczynnika objętościowej rozszerzalności cieplnej α otrzymujemy dt = 1 V dv Jeżeli mamy adiabatyczne rozprężanie (dv > 0) to dla α > 0 mamy dt < 0, a zatem następuje spadek temperatury. Niektóre substancje w pewnym zakresie temperatury mają ujemny współczynnik α (np. guma, woda w temperaturach 0 4 o C). Wówczas przy adiabatycznym rozprężaniu następuje wzrost temperatury.

Adiabatyczny współczynnik ściśliwości Określimy adiabatyczny współczynnik ściśliwości: S = 1 V S i porównamy go z izotermicznym współczynnikiem ściśliwości: T = 1 V Z równania stanu T = T ( p, V ) wynika = dt dp dv V p co po podstawieniu do wzoru (*) z porzedniego slajdu daje dp V dv = 0 p

Adiabatyczny współczynnik ściśliwości W otrzymanym równaniu dp V p dv = 0 dp i dv są związane warunkiem adiabatyczności, a zatem p = 0 V S Korzystając ze związku otrzymujemy czyli p V = 1 = S T = S

Związek pomiędzy równaniem stanu i entalpią Z podstawowego równania termodynamiki ds = 1 T du pdv = 1 T dh V dp Wstawiając różniczkę zupełną entalpii H = H, p = dh H dt H dp p otrzymujemy ds = 1 H dt 1 [ H ] V T p T dp Z kryterium Eulera [ 1 H p] T = { 1 [ H ]} V T

Związek pomiędzy równaniem stanu i entalpią [ 1 T H p] = { 1 T [ H V ]} Obliczając pochodne 1 T 2 H = 1 T 2 [ H V ] 1 T [ 2 H p] uwzględniając otrzymujemy 2 H = 2 H H = V T p

Energia swobodna Energia swobodna, nazywana też funkcją Helmholtza, jest funkcją stanu zdefiniowaną jako F =U TS Różniczka zupełna energii swobodnej df = du T ds SdT uwzględniając podstawowe równanie termodynamiki otrzymujemy du = T ds đ W df = SdT đw df = SdT pdv (gdy tylko praca objętościowa) W procesach izotermicznych ( T = const, dt = 0 ) df = đw energia swobodna odgrywa rolę energii potencjalnej: jej zmiana jest równa pracy wykonanej na układzie. Stanowi ona część energii wewnętrznej U = F + TS, która może być zamieniona na pracę. Pozostała część, równa iloczynowi TS, jest tzw. energią związaną i nie może być zamieniona na pracę.

Funkcja Gibbsa Funkcja Gibbsa jest funkcją stanu zdefiniowaną jako G = U TS pv = F pv = H TS Nazywana jest też energią swobodną Gibbsa, termodynamicznym potencjałem Gibbsa, lub entalpią swobodną. Różniczka funkcji Gibbsa dg = du T ds SdT pdv V dp dg = SdT V dp (gdy tylko praca objętościowa)

Tożsamości termodynamiczne Tożsamościami termodynamicznymi nazywamy związki między parametrami (funkcjami) termodynamicznymi i ich pochodnymi. Przykłady: du = T ds p dv = du S,V U ds U dv S V S T = U S V, p = U S dh =T ds V dp = dh S, p H ds H dp S p S T = H S p, V = H S df = SdT pdv = df,v F dt F dv V S= F V, p = F dg = SdT V dp = dg, p G dt G dp p S = G p, V = G

Termodynamiczne funkcje stanu U, H, F i G nazywane są potencjałami termodynamicznymi. Za pomocą danego potencjału termodynamicznego, jego pochodnych oraz zmiennych, których jest on funkcją, możemy wyrazić wszystkie pozostałe potencjały termodynamiczne. Przykład: Dane U(S,V), szukamy H, F, G. du = T ds p dv T = U S V, p = U S H =U pv =U V U S F =U TS =U S U S V S G = F pv = U U V U S V S

Tożsamości Maxwella Różniczki potencjałów termodynamicznych Tożsamości Maxwella wynikają z kryterium Eulera du = T ds p dv = S S V dh =T ds V dp = S S p df = SdT pdv S = V dg = SdT V dp S = p

Warunki równowagi termodynamicznej Rozpatrujemy procesy odwracalne i nieodwracalne w układach jednorodnych i zamkniętych przy braku pracy nieobjętościowej. Dla infinitezymalnego procesu, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki (przyjmując T = T o ) Q el T ds a po uwzględnieniu pierwszej zasady termodynamiki (przyjmując W el = pdv ) du T ds p dv 0 Dla procesów, w których S = const i V = const du 0 a więc stanowi równowagi dla takich procesów odpowiada minimum energii wewętrznej. Jeżeli S = const i p = const du pdv = du pv = dh 0 warunkiem równowagi jest minimum entalpii. Jeżeli T = const i V = const du T ds = d U TS = df 0 warunkiem równowagi jest minimum energii swobodnej. Jeżeli T = const i p = const du T ds p dv = d U TS pv = dg 0 warunkiem równowagi jest minimum potencjału Gibbsa.

Warunki równowagi termodynamicznej Stan równowagi układu, który jest izolowany adiabatycznie, jest osiągany wtedy, gdy entropia jest maksymalna. Jeśli objętość i entropia układu są stałe, to stanowi równowagi odpowiada minimum energii wewnętrznej. Z warunków jakie muszą spełniać pochodne w minimum wynika, że temperatury i ciśnienia we wszystkich podukładach (fazach) są między sobą odpowiednio równe oraz dla każdego podukładu C V 0 i 0. Zasada Le Chateliera: Jeśli układ jest w stanie równowagi stabilnej, to każda spontaniczna zmiana jego parametrów naruszająca ten stan musi wywołać proces, który dąży do odzyskania przez układ stanu równowagi stabilnej.

Układy otwarte potencjał chemiczny Układami otwartymi nazywamy układy, które mogą wymieniać cząstki z otoczeniem. Ponieważ energia wewnętrzna jest wielkością ekstensywną, jej zmiana związana ze zmianą liczby N cząstek w układzie jest proporcjonalna do tej zmiany i można ją zapisać jako dn, gdzie współczynnik proporcjonalności = U N S,V nazywa się potencjałem chemicznym. Różniczka energii wewnętrznej dla układu jednofazowego i jednoskładnikowego przy braku pracy nieobjętościowej ma postać du = T ds p dv dn Potencjał chemiczny jest wielkością intensywną. Jego miarą w powyższym wzorze jest dżul na jedną czastkę. Różniczkę energii wewnętrznej możemy zapisać także jako du = T ds p dv dn gdzie n jest liczbą moli, a wyraża się w dżulach na mol.

Dla układu otwartego jednofazowego i jednoskładnikowego, różniczki potencjałów termodynamicznych mają następującą ogólną postać du = T ds p dv đ W dn dh =T ds V dp đ W dn df = SdT pdv đw dn dg = S dt V dp đ W dn Potencjał chemiczny dla đ W = 0 = U = H = F = G n S,V n S, p n,v n, p

Dla układu otwartego jednofazowego wieloskładnikowego du = T ds p dv đ W i=1 dh =T ds V dp đ W i=1 i dn i i dn i df = SdT pdv đw i dn i i=1 dg = SdT V dp đ W i=1 i dn i gdzie αoznacza liczbę różnych składników w układzie. Oprócz równości temperatur i ciśnień, dodatkowym warunkiem stanu równowagi układu jest równość potencjałów chemicznych danego składnika we wszystkich podukładach (fazach).