Pierwsza zasada termodynamiki 2.2.1. Doświadczenie Joule a i jego konsekwencje 2.2.2. ieło, ojemność cielna sens i obliczanie 2.2.3. Praca sens i obliczanie 2.2.4. Energia wewnętrzna oraz entalia 2.2.5. Konsekwencje I zasady termodynamiki 2.2.6. Obliczenia zmian energii wewnętrznej oraz entalii
Pierwsza zasada termodynamiki Doświadczenie Joule'a (1843) U Q W du Q W el el Zasada zachowania energii Wykład z hemii Fizycznej str. 2.2 / 2
ERMODYNAMIKA ojęcia odstawowe Energia wewnętrzna ałkowita energia układu termodynamicznego jest równa sumie makroskoowej energii kinetycznej, makroskoowej energii otencjalnej i reszty nazwanej energią wewnętrzną E E E U u k Na ogół wystarcza znajomość rzyrostów energii odczas rzemian termodynamicznych, a nie całkowitej energii układu. Stan odniesienia, dla którego energia wewnętrzna ciała jest rzyjmowana jako równa zeru, można rzyjąć dowolnie. W obliczeniach dotyczących fizycznych rzemianach termodynamicznych nie ma otrzeby uwzględniania tych składników energii wewnętrznej, które nie ulegają zmianie odczas analizowanego rocesu, n. energii jądrowej i energii chemicznej. W skład energii wewnętrznej układu wchodzą: energia kinetyczna ruchu ostęowego i obrotowego drobin energia ruchu drgającego atomów w drobinie energia otencjalna w olu wzajemnego rzyciągania się drobin energia stanów elektronowych energia chemiczna, związana z możliwością rzebudowy drobin energia jądrowa 2.1. Pojęcia odstawowe Wykład z hemii Fizycznej str. 2.1 / 3
Pierwsza zasada termodynamiki fizyczny cieła i racy ieło i raca ieło i raca są sosobami rzekazywania, a nie rodzajami energii. Jeżeli jedyną rzyczyną rzeływu ewnej ilości energii omiędzy układem a otoczeniem jest różnica temeratur, to tę energię nazywamy energią rzekazaną na sosób cieła, lub w skrócie ciełem. Jeżeli całkowity skutek rzeływu ewnej ilości energii omiędzy układem a otoczeniem może być srowadzony do ionowego rzemieszczenia jakiegoś ciężaru, to tę ilość energii nazywamy energią rzekazaną na sosób racy mechanicznej, lub skrótowo racą mechaniczną. Interretacja molekularna cieła i racy Wymiana cieła Wymiana racy Otoczenie Układ Wykład z hemii Fizycznej str. 2.2 / 4
Pierwsza zasada termodynamiki omiar cieła Kalorymetr adiabatyczno-izochoryczny 1 2 4 3 ieło jest formą wymiany energii orzez bariery wywołującą zmiany temeratury 5 6 1 wlot tlenu 2 termometr oorowy 3 rzewody załonowe 4 łaszcz wodny 5 róbka 6 grzejnik Wykład z hemii Fizycznej str. 2.2 / 5
Pierwsza zasada termodynamiki rodzaje cieła ieło wymiany Q m Pojemność cielna dq d Q 2 1 d ilość cieła wymieniona odczas zmiany temeratury jednostkowej ilości układu o jeden stoień P, J mol K c P, c J g K M c P P M c Wykład z hemii Fizycznej str. 2.2 / 6
Pierwsza zasada termodynamiki ojemność cieła Interretacja molekularna ojemności cielnej Nachylenie krzywej w dowolnym unkcie jest równe wartości ochodnej cząstkowej: U Wykład z hemii Fizycznej str. 2.2 / 7
Pierwsza zasada termodynamiki rodzaje cieła ieło rzemiany Q L m tonienie arowanie sublimacja krystalizacja skralanie resublimacja Zmiany temeratury w trakcie rzemian fazowych: ar krys iało stałe iecz Gaz czas ogrzewania lub ilość dostarczonego cieła Wykład z hemii Fizycznej str. 2.2 / 8
Pierwsza zasada termodynamiki rodzaje cieła Zmiany ojemności cielnej w trakcie rzemian fazowych: P iało stałe iecz Gaz 1 krys 2 ar 3 Warunki omiaru cieła Bomba kalorymetyryczna Inicjowanie reakcja em. P Proces izobaryczny Proces izochoryczny Wykład z hemii Fizycznej str. 2.2 / 9
A Praca objętościowa rzeciwko ciśnieniu zewnętrznemu F z = P z A d=adl W el, obj F z dl dl P d z Interretacja graficzna skutków racy od wływem ciśnienia W obj P droga z d trzeba znać funkcję (,)
Pierwsza zasada termodynamiki P r a c a Rodzaje racy Siła u o g ó l n i o n a D r o g a u o g ó l n i o n a P r a c a e l e m e n t a r n a o b j ę t o ś c i o w a ciś n i e n i e ( P ) obję t o ś ć ( ) - P d e l e k t r y c z n a o w i e r z c h n i o w a siła e l e k t r o m o t o r y c z n a ( E ) n a i ę c i e o w i e r z c h n i o w e ( ) ł a d u n e k ( Q ) o w i e r z c h n i a ( A ) - E d Q - da Wykład z hemii Fizycznej str. 2.2 / 11
Pierwsza zasada termodynamiki zy zmiana energia wewnętrzna, cieło i raca są funkcjami stanu? du Q W el el Energia wewnętrzna jest funkcją stanu. Wielkość wykonanej racy zależy od drogi nie jest funkcją stanu Wielkość wymienionego cieła zależy od drogi nie jest funkcją stanu Wykład z hemii Fizycznej str. 2.2 / 12
Konsekwencje ierwszej zasady termodynamiki ENERGIA WEWNĘRZNA Zdolność układu do wykonywania racy lub oddania cieła Energia wewnętrzna każdej fazy wewnętrznie zrównoważonej jest ekstensywną funkcją niezależnych arametrów stanu (x 1, x 2,... x k ) U U x,x, x U j j Energia wewnętrzna układu jest sumą energii wewnętrznych faz U i i Zmiana energii wewnętrznej układu w wyniku rzemiany elementarnej Zmiana energii wewnętrznej układu w wyniku rzemiany skończonej A B U U 1 B 2 du U A k k i1 k B U x i i1 A U x i x ji dx x ji i dx i Wykład z hemii Fizycznej str. 2.2 / 13
Konsekwencje ierwszej zasady termodynamiki ENERGIA WEWNĘRZNA Zdolność układu do wykonywania racy lub oddania cieła U U du U U (,, ),, d v U, U d, U Q, r, d U,, Wykład z hemii Fizycznej str. 2.2 / 14
Konsekwencje ierwszej zasady termodynamiki ENALPIA Zdolność układu do wymiany cieła zasobność cielna Entalia jest funkcją stanu. Jaki jest sens wrowadzania nowej wielkości termodynamicznej? Przerowadzając rzemianę termodynamiczną w warunkach izochorycznych wymiana cieła jest w jednoznaczny sosób skorelowana ze zmianą energii wewnętrznej oraz temeratury. iała stałe i ciecze w znacznej liczbie rzemian nie zmieniają swej objętości. Warunki izochoryczne są, zatem zaewnione rzez naturę tych układów. Nawet rzerowadzając na nich rzemiany w warunkach izobarycznych, izochoryczność jest również sełniona. Gazy już takiej cechy nie osiadają i w warunkach izobarycznych odczas wymiany cieła i zmiany temeratury zachodzi roces srężania lub rozrężania. Oznacza to wykonanie racy na otoczeniu lub na układzie. Zmiany energii wewnętrzne nie odowiadają wówczas zmierzonemu efektowi cielnemu jest on omniejszony o wielkość wykonanej racy. Innymi słowy dostarczając cieło temeratura nie rośnie tak bardzo jak w rzemianie izochorycznej. W warunkach izobarycznych to zmiana entalii jest miarą wymienionego cieła. Wykład z hemii Fizycznej str. 2.2 / 15
),, ( H U H df d H d H d H dh,,, P H, r Q H,,,, H ENALPIA Wykład z hemii Fizycznej str. 2.2 / 16 Konsekwencje ierwszej zasady termodynamiki
Konsekwencje ierwszej zasady termodynamiki O ile różni się energia wewnętrzna od entalii? U H W P ( nr ) v Q v Q Wykład z hemii Fizycznej str. 2.2 / 17
Konsekwencje ierwszej zasady termodynamiki Al Przykład Podczas reakcji O ( ) 2 3( korubnd) 3SO Al SO 2( gaz) 2 4 3( staly) w =298K i od ciśnieniem 1 atm wydzieliło się 579kJ. Obliczyć cieło tej reakcji w stałej objętości. Q Q n(r ) n=0-3=-3 Q 579000 ( 3) 8.314 298 572kJ Wykład z hemii Fizycznej str. 2.2 / 18