II zasada termodynamiki.

Podobne dokumenty
Entalpia swobodna (potencjał termodynamiczny)

Doświadczenie Joule a i jego konsekwencje Ciepło, pojemność cieplna sens i obliczanie Praca sens i obliczanie

10. FALE, ELEMENTY TERMODYNAMIKI I HYDRODY- NAMIKI.

Stany materii. Masa i rozmiary cząstek. Masa i rozmiary cząstek. m n mol. n = Gaz doskonały. N A = 6.022x10 23

D. II ZASADA TERMODYNAMIKI

Jest to zasada zachowania energii w termodynamice - równoważność pracy i ciepła. Rozważmy proces adiabatyczny sprężania gazu od V 1 do V 2 :

TERMODYNAMIKA PROCESOWA I TECHNICZNA

prawa gazowe Model gazu doskonałego Temperatura bezwzględna tościowa i entalpia owy Standardowe entalpie tworzenia i spalania 4. Stechiometria 1 tość

Wykład 2. Przemiany termodynamiczne

Podstawy termodynamiki

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

WARUNKI RÓWNOWAGI UKŁADU TERMODYNAMICZNEGO

Temperatura i ciepło E=E K +E P +U. Q=c m T=c m(t K -T P ) Q=c przem m. Fizyka 1 Wróbel Wojciech

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

= T. = dt. Q = T (d - to nie jest różniczka, tylko wyrażenie różniczkowe); z I zasady termodynamiki: przy stałej objętości. = dt.

termodynamika fenomenologiczna

TERMODYNAMIKA OGNIWA GALWANICZNEGO

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Teoria kinetyczna INZYNIERIAMATERIALOWAPL. Kierunek Wyróżniony przez PKA

Ćwiczenia do wykładu Fizyka Statystyczna i Termodynamika

WYKŁAD 2_2. 1.Entropia definicja termodynamiczna. przemiana nieodwracalna. Sumaryczny zapis obu tych relacji

Termodynamika 2. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

TERMODYNAMIKA. Termodynamika jest to dział nauk przyrodniczych zajmujący się własnościami

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

ZEROWA ZASADA TERMODYNAMIKI

Termodynamika fenomenologiczna i statystyczna

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

11. Termodynamika. Wybór i opracowanie zadań od 11.1 do Bogusław Kusz.

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

TERMODYNAMIKA I TERMOCHEMIA

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

Mini-quiz 0 Mini-quiz 1

13) Na wykresie pokazano zależność temperatury od objętości gazu A) Przemianę izotermiczną opisują krzywe: B) Przemianę izobaryczną opisują krzywe:

Materiały pomocnicze do ćwiczeń z przedmiotu: Termodynamika techniczna

Budowa materii Opis statystyczny - NAv= 6.022*1023 at.(cz)/mol Opis termodynamiczny temperatury -

Wykład 3. Entropia i potencjały termodynamiczne

Wykład 4 Gaz doskonały, gaz półdoskonały i gaz rzeczywisty Równanie stanu gazu doskonałego uniwersalna stała gazowa i stała gazowa Odstępstwa gazów

Ć W I C Z E N I E N R C-5

Śr Kin Ruchu Postępowego. V n R T R T. 3 3 R 3 E R T T k T, 2 N 2 B

Termodynamika 1. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Podstawy termodynamiki

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

Ciepła tworzenia i spalania (3)

WYKŁAD 14 PROSTOPADŁA FALA UDERZENIOWA

1. PIERWSZA I DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI TERMOCHEMIA

Zasady termodynamiki

TERMODYNAMIKA TECHNICZNA I CHEMICZNA

Kryteria samorzutności procesów fizyko-chemicznych

Wykład 7: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

TERMODYNAMIKA. Przedstaw cykl przemian na wykresie poniższym w układach współrzędnych przedstawionych poniżej III

Podstawowe pojęcia 1

Entropia - obliczanie. Podsumowanie

WYKŁAD 1 WPROWADZENIE DO STATYKI PŁYNÓW 1/23

Fizyka Termodynamika Chemia reakcje chemiczne

nieciągłość parametrów przepływu przyjmuje postać płaszczyzny prostopadłej do kierunku przepływu

II zasada termodynamiki

PODSTAWY TERMODYNAMIKI

Równanie gazu doskonałego

M. Chorowski Podstawy Kriogeniki, wykład Metody uzyskiwania niskich temperatur - ciąg dalszy Dławienie izentalpowe

Przegląd termodynamiki II

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

Wykład 7. Energia wewnętrzna jednoatomowego gazu doskonałego wynosi: 3 R . 2. Ciepło molowe przy stałym ciśnieniu obliczymy dzięki zależności: nrt

I piętro p. 131 A, 138

Chemia Fizyczna Technologia Chemiczna II rok Wykład 1. Kontakt,informacja i konsultacje. Co to jest chemia fizyczna?

Wykład 6. Klasyfikacja przemian fazowych

TERMODYNAMIKA FENOMENOLOGICZNA

Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej

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

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

Krótki przegląd termodynamiki

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

Zapis pochodnej. Modelowanie dynamicznych systemów biocybernetycznych. Dotychczas rozważane były głownie modele biocybernetyczne typu statycznego.

Warunki izochoryczno-izotermiczne

Stany równowagi i zjawiska transportu w układach termodynamicznych

Kalorymetria paliw gazowych

Termodynamiczny opis przejść fazowych pierwszego rodzaju

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Termodynamika techniczna i chemiczna, 2015/16, zadania do kol. 1, zadanie nr 1 1

Wykład 10 Równowaga chemiczna

p, V, T, U, S, H, F, G Parametry mikroskopowe Parametry makroskopowe 2 k

Katedra Silników Spalinowych i Pojazdów ATH ZAKŁAD TERMODYNAMIKI. Pomiar ciepła spalania paliw gazowych

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

TERMOCHEMIA. TERMOCHEMIA: dział chemii, który bada efekty cieplne towarzyszące reakcjom chemicznym w oparciu o zasady termodynamiki.

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

ZADANIA Z CHEMII Efekty energetyczne reakcji chemicznej - prawo Hessa

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

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

Termochemia elementy termodynamiki

Wykład Temperatura termodynamiczna 6.4 Nierówno

Druga zasada termodynamiki, odwracalność przemian, silniki cieplne, obiegi

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

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

Efektywność energetyczna systemu ciepłowniczego z perspektywy optymalizacji procesu pompowania

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

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

Druga zasada termodynamiki

= 2 + f(n-1) - n(f-1) = n f

Elementy termodynamiki

3 Potencjały termodynamiczne i transformacja Legendre a

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

Wykład 6: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

Transkrypt:

II zasada termodynamiki. Według I zasady termodynamiki nie jest do omyślenia roces, w którym energia wewnętrzna układu doznałaby zmiany innej, niż wynosi suma algebraiczna energii wymienionych z otoczeniem. II zasada termodynamiki określa warunki, jakie muszą być sełnione, by niesrzeczny z I zasadą roces mógł rzeczywiście zachodzić. Podstawowymi ojęciami w II zasadzie termodynamiki są: rocesy odwracalne i nieodwracalne. Proces, w którym arametry stanu (zmienne układu) zmieniają swe wartości od X 1, X 2, X 3... do X 1, X 2, X 3... jest odwracalny, jeżeli istnieje roces odwrotny, w wyniku którego zmienne rzyjmą z owrotem wartości X 1, X 2, X 3,..., rzy czym roces odwrotny sełnia nastęujące warunki: 1) układ rzechodzi w nim orzez te same stany ośrednie, co w rocesie ierwotnym, lecz w odwrotnej kolejności, 2) układ wymienia w tym rocesie z otoczeniem ilości masy, cieła i racy różniące się jedynie znakiem od wymienionych w rocesie ierwotnym. 3) o zakończeniu rocesu odwrotnego nie ozostanie żaden ślad ani w układzie, ani też w jego otoczeniu. Proces, który nie sełnia chociażby jednego z tych warunków, nazywamy rocesem nieodwracalnym. Układowi, w którym rzebiegł roces nieodwracalny, można wrawdzie na ogół rzywrócić stan ierwotny, lecz dokonując tego wywoła się z konieczności trwałe zmiany w otoczeniu. Procesy samorzutne, nieodwracalne Procesy samorzutne n: - rozrężanie gazu rzeciwko stałemu ciśnieniu lub do różni (rzy owtórnym srężaniu trzeba użyć więcej racy niż jej zyskuje w rocesie rozrężania), - rzeływ cieła między dwiema częściami układu o różnych temeraturach, -rzeływ masy omiędzy dwoma obszarami, w których stężenia są różne (dyfuzja), reakcje chemiczna n. samorzutne utlenianie metali są rocesami nieodwracalnymi. Chcąc rzywrócić stan ierwotny należałoby dokonać ingerencji z zewnątrz, która musiałaby ozostawić trwały ślad w otoczeniu. Proces odwracalny, mimo że w raktyce nie daje się zrealizować, jest omyślany, jako graniczny rzyadek rocesu rzeczywistego. Procesem odwracalnym będzie każdy roces qasi-statyczny, w którym układ zmienia swój stan orzez nieskończony ciąg stanów równowagi. Siłą naędową rocesów samorzutnych jest tendencja energii i materii do zwiększania stanu nieuorządkowania.

Miarą stonia nieuorządkowania materii i energii jest funkcja stanu zwana entroią, S. Matematyczne ujęcie II zasady termodynamiki za omocą nowej funkcji stanu, entroii S, wrowadził (R.Clausius 1852) Zmianę entroii S układu definiuje się jako stosunek cieła, odwracalnie wymienionego z otoczeniem, do temeratury w której odbywa się wymiana. Gdy układ zamknięty o tem.,(jednakowej w każdym unkcie, wymienia z otoczeniem w rocesie odwracalnym cieło Q el, wówczas entroia tego układu zmienia się o wartość ds równą: ds [J/K] (roces odwracalny) Entroia jest jednoznaczną funkcją arametrów stanu, tzn. zmiana entroii sowodowana rzebiegiem jakiegoś rocesu określona jest wartościami zmiennych stanu układu na oczątku i na końcu rocesu niezależnie od tego, czy roces był odwracalny, czy nieodwracalny. Wrowadzenie ojęcia funkcji S - entroii daje możliwości odróżnienia rocesów odwracalnych i nieodwracalnych. Kryterium, umożliwiającym takie rozoznanie jest orównania zmian jakich doznała entroia układu S w wyniku rocesu z obliczoną dla tego rocesu całką z ilorazu Q el, gdzie Q el oznacza cieło wymienione rzez układ z otoczeniem. Jeżeli układ zmienia swój stan w dowolnym rocesie nieodwracalnym, odczas którego wymienia z otoczeniem w tem. cieło Q el, to zmiana entroii układu w każdym, nieskończenie małym etaie rocesu sełnia warunek: ds Q el (roces nieodwracalny) W dowolnym rocesie samorzutnym sełniona jest dla rozatrywanego układu nierówność: ds 0 gdzie znak równości odnosi się do rocesów odwracalnych, znak nierówności do rocesów nieodwracalnych, samorzutnych. ds oznacza się symbolem d i S

def ds d S i d S i nazywa się rodukcją entroii związaną z rzebiegiem rocesu. W rocesie odwracalnym rodukcja entroii d S i 0 W rocesie samorzutnym d S i > 0 Sens fizyczny równań II zasady termodynamiki Równania II zasady termodynamiki: ds 0, d i S 0, ds Q el d S i można ująć w nastęujących stwierdzeniach: Entroia dowolnego układu, w dowolnym elementarnym rocesie może się zmieniać z dwóch owodów: transortu entroii z otoczenia, którego wielkość jest określona ilorazem oraz rodukcji entroii wewnątrz układu d i S. 1. W rocesach odwracalnych rodukcja entroii jest równa zeru i zmiana entroii układu jest równa transortowi entroii, a zatem równa co do wielkości i rzeciwna co do znaku zmianie entroii otoczenia. Sumaryczna zmiana entroii układu i otoczenia jest równa zeru. ds ukł + ds ot 0 2. W rocesach nieodwracalnych rodukcja entroii jest zawsze dodatnia i sumaryczna zmiana entroii układu i otoczenia, razem wziętych jest większa od zera. ds ukł + ds ot > 0 3. W układzie izolowanym adiabatycznie mogą rzebiegać samorzutnie tylko takie rocesy, które zwiększaja jego entroię. 4. Entroia układu nie izolowanego może w wyniku rocesu samorzutnego maleć, równocześnie jak rośnie (bardziej) entroia otoczenia; sumaryczna entroia układu i otoczenia, razem wziętych zwiększa się.

eoremat Nernsta i ostulat Plancka - III zasada termodynamiki Druga zasada termodynamiki mówi, że w rocesie odwracalnym w układzie zamkniętym zmiana entroii układu wynosi: ds. Równanie to jest definicją różniczki entroii. Całkując je otrzymujemy wyrażenie na entroię: S + const Do wartości entroii wchodzi bliżej nieznana stała całkowania. Sens fizyczny stałej całkowania staje się jasny gdy do obliczenia entroii osłużymy się równaniem: S C gdzie S S - należy scałkować -oznacza cząstkową ochodną S względem rzy stałym, stąd aby obliczyć S C S d + ( ) const Jeżeli całkowanie rozoczniemy od temeratury zera bezwzględnego, wówczas stała całkowania oznaczać będzie entroię w temeraturze zera bezwzględnego. Entroia w temeraturze będzie zatem dana wyrażeniem: S Cd ln + S0 0 Wartości entroii w temeraturze zera bezwzględnego rozwiązuje teoremat Nernsta i Postulat Plancka zwany III zasadą termodynamiki. eoremat mówi, że w temeraturze zera bezwzględnego, entroia każdego ciała doskonale jednolitego i o skończonej gęstości wynosi zero lim 0 S 0 tzn. S 0 0

Warunek doskonałej jednolitości dotyczy jednoznacznego uorządkowania cząsteczkowego, (stan makroskoowy realizowany rzez jeden stan mikro). Są to tzw. ciała lankowskie (kryształy mieszane, szkła, rzechłodzone ciecze nie sełniają tego warunku). Z ostulatu tego wynika, że dla ciał lankowskich lim C 0 0, a także, 0 0 wsółczynnik rozszerzalności termicznej ciałą lankowskiego zbliża się do zera gdy 0. Zmiany entroii w tyowych rocesach. 1. Izotermiczne rozrężenie ( lub srężanie ) gazu doskonałego. Z I zasady wynika, że zmiana energii układu równa jest sumie racy i cieła (wymienionych z otoczeniem): U Q + W Gdy gaz doskonały rozręża się izotermicznie ( const ) jego energia wewnętrzna nie zmienia się, gdyż średnia energia kinetyczna, a zatem całkowitą energia jest funkcją temeratury: 3 U U 0 + R, gdy constans 2 U 0 czyli: Q + W 0 Równość ta wskazuje, że aby zachować stałość temeratury gdy wykonuje on racę należy dorowadzić do układu cieło; Q W zmiana entroii wynosi: ds Q W odw k onieważ Wodw d nr ln

S nrln k Entroia rośnie jeżeli k >, tj. odczas izotermicznego rozrężania gazu ( zgodnie z intuicją, im większa objętość tym większy stoień nieuorządkowania. 2. Ogrzewanie, oziębianie układu. Drugim rocesem, którego wływ na entroię układu rozważamy jest zwiększanie temeratury układu. Intuicyjnie w czasie ogrzewania entroia się zwiększa - ruch cząstek staje się bardziej intensywny, chaos cielny większy. Jeżeli założymy, że ojemność cielna układu, nc, nie zależy od temeratury w interesującym nas zakresie temeratur, to zmiana entroii wywołana zmianą temeratury wynosi: ds onieważ Cvd ds C d Całkowita zmiana entroii towarzysząca zmianie temeratury do k jest sumą ( całką ) tych nieskończenie małych zmian, ds( różniczki): S C K 1 d C ( ln ln ) K C ln K jeżeli k >, S>0 3. Zmiana entroii w czasie rzemian fazowych rzecim osolitym rocesem, dla którego obliczamy zmiany entroii jest zmiana stanu skuienia :n. tonienie, wrzenie, sublimacja Intuicyjnie, gdy substancja toi się ( lub wrze ) entroia się zwiększa, gdyż cząsteczki tworzą mniej uorządkowane zesoły. Ponieważ rzemiany fazowe zachodzą od stałym ciśnieniem, cieło rzemiany jest równe entalii rzemiany Zmiana entroii towarzysząca n. stoieniu jednego mola substancji w temeraturze tonienia wynosi:

S tonienia H tonienia tonienia ogólnie zmiana entroii towarzysząca rzemianie fazowej S,f wynosi: S, f H, f, f onienie jest rocesem endotermicznym, H >0, wymaga dostarczenia cieła, zatem entroia tonienia jest zawsze dodatnia, odobnie jak entroia arowania i sublimacji. Ujemną wartość ma natomiast entroia krzenięcia, kondensacji. Standardowa entroia reakcji. W wielu rzyadkach trudno jest rzewidzieć czy stan nieuorządkowania roduktów jest mniejszy czy większy od tego jaki wykazywały substraty. Aby obliczyć zmianę entoii towarzyszącą reakcji chemicznej, możemy skorzystać z wyznaczonej entroii reagentów. Różnicę entroii roduktów i substratów znajdujących się w stanie standardowym, nazywamy standardową entroią reakcji, S O. ν S rodukty) ν S S ( ( substraty) ν - bezwzględna wartość wsółczynnika stechiometrycznego. Energia swobodna i entalia swobodna Dla oisywania rocesów zachodzących w stałej temeraturze i objętości lub stałej temeraturze i ciśnieniu (n. reakcje chemiczne, rzemiany fazowe) wygodne jest wrowadzenie w miejsce ogólnego kryterium samorzutności rocesu i stanu równowagi, ewnych kryteriów secjalnych. Wrowadza się dwie nowe funkcje termodynamiczne 1) energię swobodną układu (nazywaną również otencjałem termodynamicznymlub energią swobodną Helmholtza): F def U - S [J] 2) entalię swobodną układu (nazywaną energią swobodną Gibbsa lub otencjałem termodynamicznym): G def H - S [J] Energia swobodna F i entalia swobodna G (otencjał termodynamiczny) są funkcjami stanu układu, co jak wiemy oznacza, że zmiany tych funkcji nie zależą od sosobu rowadzenia rocesu a tylko od stanu końcowego i oczątkowego układu. Wartość tych funkcji jest określona jedynie z dokładnością do stałej addytywnej, odobnie jak wartość funkcji U i H. ermodynamika zajmuje się tylko zmianami tych funkcji (rzyrostami) F i G albo ich różniczkami df i dg.

Zwiazki między funkcjami termodynamicznymi rzedstawia schemat U + H - S - S F + G Łatwo z niego odczytać zależności, n.;g H - S U + - S F + Najczęściej rzedstawia się U i F jako funkcje zmiennych,, n i (lub,,) a H i G jako funkcje temeratury, ciśnienia ilości moli lub ostęu reakcji chemicznej zmiennych,, n i (,, ξ). Różniczkę zuełną funkcji G można rzedstawić zgodnie z def. wzorem: dg dh - ds - Sd według wcześniej oznanych wzorów dh Q el + d + W 0 el Q el ds - d i S, gdzie W 0 el - oznacza racę nieobjętościową Z tych trzech zależności otrzymujemy: dg ds - d i S + d + W 0 el l - ds - Sd dg - Sd + d +W 0 el - d i S W odobny sosób otrzymujemy wzory na różniczki zuełne df, dh i du df - Sd - d + W 0 el - d i S dh ds + d + W 0 el - d i S du ds - d + W 0 el - d i S Wzory te zawierają treść obu zasad termodynamiki. Entalia swobodna G jest bardzo ważną funkcją termodynamiczną, gdyż zarówno ciśnienie jak i temeratura są zmiennymi, które możemy w łatwy sosób kontrolować. Dla rocesu odwracalnego : d i S 0 zatem, zmiana entalii swobodnej wynosi: W rzyadku braku racy nieobjętościowej dg -Sd + d + W 0 el dg -Sd + d W rocesie izotermiczno izobarycznym, zmiana entalii swobodnej równa jest racy nieobjętościowej : dg W 0 el

a rzyadku braku racy nieobjętościowej dg 0 Powyższe wyrażenia okazują, że zmiana entalii swobodnej dg jest roorcjonalna do zmiany i. dlatego, entalię swobodną najleiej jest wyrazać jako funkcję i. Entalia swobodna łączy w sobie konsekwencję I i II zasady termodynamiki w sosób szczególnie rzydatny w zastosowaniach chemicznych.