TERMODINAMIKA osnovni pojmovi energija, rad, toplota

Transcript

1 TERMODINAMIKA osnovni pojmovi energija, rad, toplota

2 TERMODINAMIKA TERMO TOPLO nauka o kretanju toplote DINAMO SILA Termodinamika-nauka odnosno naučna disciplina koja ispituje odnose između promena u sistemima i energetskih efekata koje prate te promene. Termodinamika proučava pretvaranje jednog vida (oblika) energije u drugi. Početak razvoja termodinamike-proučavanje toplotnih mašina (Karnoo) O pokretačkoj sili ognja i mašinama sposobnim da razviju tu silu" Prvo je bila primenjena na hemijskim pa onda na fizičkim procesima. Klasična termodinamika se ne bavi atomsko-molekulskom strukturom i reakcionim mehanizmom (termodinamika i kinetička teorija gasova). Npr. objašnjenje temperature preko kinetičke energije (kinetička teorija gasova) a u termodinamici je neovisna o posmatranju samog molekula (makroskopski se posmatra). Termodinamika govori o mogućnosti odigravanja hemijske reakcije ali ne i o brzini jer vreme nije termodinamička promenjiva.

3 TERMODINAMIKA OPŠTA TEHNIČKA HEMIJSKA Opšta termodinamika-osnovni principi (zakoni) i zakonitosti koje iz njih proizilaze; procesi vezani za promenu stanja materije praćene energetskim promenama. Tehnička termodinamika-primena termodinamičkih zakona na toplotne mašine, odnosno uzajamno pretvaranje toplote i rada. Hemijska termodinamika (termohemija)-primena termodinamičkih principa za proučavanje sistema sa hemijskim i faznim promenama. hemijska reakcija hemijska jednačina hemijska termodinamika

4 Čime se bavi termodinamika? uslovima pod kojima se proces odigrava proučava toplotne efekte (količinu toplote i rad), koji se javljaju odigravanjem hemijskih reakcija i faznih prelaza odnosno proučava promene energije koje prate proces objašnjava mogućnost spontanog odigravanja hemijskih reakcija ili faznih prelaza u određenim uslovima uslovima pod kojima različiti procesi dostižu stanje ravnoteže odnosno utvrđuje smer odigravanja hemijske reakcije objašnjava sve procese u svim agregatnim stanjima čak i u plazmi i dovodi ih u vezu sa energetskim promenama Karno, Džul, Tomson, Bertlo, Kirhof, Gibs, Helmholc, van Hof, Nernst...

5 OSNOVNI TERMODINAMIČKI POJMOVI termodinamički sistem termodinamičke osobine ili termodinamičke promenjive stanje sistema i parametri stanja termodinamički proces termodinamička ravnoteža

6 SISTEM deo univerzuma koji je predmet ispitivanja: uzorak u balonu, epruveti; elektrolitička ćelija; živa ćelija...a sve ostalo je okolina SISTEM OKOLINA vodeno kupatilo; termostat; atmosfera... ako dolazi do razmene energije ili mase ili i jednog i drugog između pojedinih delova sistema ili između sistema i okoline (razmena mase, razmena toplote i vršenje rada) Termodinamički sistem

7 Homogeni sistem-u svim njegovim delovima sve osobine (fizičke i hemijske) su iste, ili se kontinuirano menjaju od tačke do tačke tj. nema tačke ili površine unutar sistema, osim granica sistema, gde dolazi do nagle promene neke njegove osobine. Sastoji se od jedne faze (na primer: gasovi, smeše gasova, čiste tečnosti, tečni i čvrsti rastvori)-monofazan sistem. Heterogeni sistem-postoje tačke ili površine gde se neka ili više osobina naglo menjaju. Može se sastojati iz većeg broja homogenih delova odnosno sastoji se od dve ili više faza ( na primer: tečnost i para iznad rastvora, dve tečnosti koje se ne mešaju, tečnost i čvrsta supstanca ili dve čvrste supstance). Faza-fizički i hemijski homogeni deo heterogenog sistema koji je svojom graničnom površinom odvojen od ostalih delova sistema. Svaka faza se može sastojati od više komponenata. Komponenta je element ili jedinjenje koje se u čistom stanju može izolovati.

8 Vrste sistema Otvoren: živa ćelija, veliki broj industrijskih aparata, soba - tipičan primer otvorenog sistema granica sistema Zatvoren: gas u cilindru sa klipom u kontaktu sa termostatom. Masa pojedinih komponenti može da se menja samo kao rezultat spontane hemijske reakcije unutar sistema. Izolovan: gas ili tečnost u cilindru sa toplotno neprovodnom oblogom Sistemi

9 Termodinamički kontakt veza između dva sistema koja omogućava interakciju između njih: mehanička ako jedan sistem nad drugim vrši mehanički rad čestična ako se vrši preraspodela čestica između sistema toplotna ako se prenosi energija između sistema adijabatska ako granica sistema onemogućava toplotnu interakciju Termostat-spoljašnja okolina termodinamičkog sistema koja mu obezbeđuje konstantnu temperaturu

10 Termodinamičke osobine ili promenjive opisuju termodinamički sistem četiri se mogu neposredno meriti čime se definiše stanje sistema pa se nazivaju parametrima stanja (pritisak, zapremina, temperatura i sastav sistema) jedno određeno stanje sistema karakteriše se nepromenjivošću parametara stanja tokom proizvoljno dugog vremenskog intervala ekstenzivni osobine ili faktori kapaciteta- zavise od količine materije (masa, zapremina, entropija, entalpija itd). Imaju aditivan karakter pa je npr. V= V i intenzivni osobine ili faktori intenziteta- ne zavise od količine supstance u sistemu (gustina, pritisak, temperatura, indeks prelamanja, površinski napon, molarna zapremina, molska frakcija itd.) ekstenzivni parametri mogu postati intenzivni svođenjem na jediničnu vrednost, jer je količnik dve ekstenzivne veličine intenzivna veličina. Na primer: masa i zapremina su ekstenzivni parametri, ali gustina (masa jedinice zapremine) i specifična zapremina (zapremina jedinice mase) su intenzivni parametri

11 Ako je sistem homogen i sastoji se od jedne komponente sastav je onda poznat pa su parametri stanja P, V i T. Ako su ova tri parametra određena onda su i sve druge osobine sistema određene. Za definisanje ovakvog sistema dovoljno je poznavanje dva od tri parametra. f(p, V, T)=0 opšti oblik jednačine stanja (j-na koja povezuje osnovne parametre) Parametri nisu nezavisno promenljivi odnosno između njih postoji određena funkcionalna zavisnost. npr. PV=nRT jednačina stanja idealnog gasa Ako je sistem heterogen onda svaka faza ima svoju sopstvenu jednačinu stanja. Termodinamički parametri definišu samo određeno stanje bez obzira na prethodna stanja iz čega sledi da promena bilo koje osobine sistema, kao posledica promene stanja sistema, zavisi samo od početnog i krajnjeg stranja. Takve veličine se zovu funkcije stanja sistema što znači da je ta promena data totalnim ili pravim diferencijalom.

12 V f ( P, T) dv V P T dp V T P dt totalni ili pravi diferencijal dv- beskonačno mala promena parcijalni izvod funkcije V V 2 V 1 dv V 2 V 1 V konačna promena V iz stanja 1 u stanje 2: zbir beskonačno malih promena, odnosno integral te funkcije ako je podintegralna veličina pravi diferencijal, onda rezultat integraljenja ne zavisi od puta inegracije već samo od krajnjih tačaka pa su to funkcije stanja sistema

13 Y=f( P,T, n 1,n 2 n i ) Y=Y (B) - Y (A) početno stanje neka funkcija koja u potpunosti karakteriše jedno stanje sistema krajnje stanje Prelaz iz stanja A u stanje B može da se ostvari različitim putevima. Promena funkcije stanja zavisi samo od početnog i krajnjeg stanja, a ne zavisi od puta između tih stanja zagrevanje vode na 60 C I zagrevanjem od sobne temperature npr. 20 C do 60 C II zagrevanjem do ključanja, a onda hlađenjem do 60 C -početna i krajnja temperatura je ista i iznosi 20 C odnosno 60 C -razmenjuje se toplota sa okolinom (ili se oslobađa ili se apsorbuje) -toplota zavisi od puta prelaska iz jednog u drugo stanje sistema kao i rad

14 ciklus Y i =0 ciklus ili kružni proces (vraćanje na početno stanje) promene Y u svakom stupnju ciklusa npr. promena unutrašnje energije jednog ciklusa du 0 u funkcije stanja sistema ubrajaju samo one termodinamičke veličine čije su ukupne promene u kružnom procesu jednake nuli

15 promena stanja sistema Termodinamički proces kada se u sistemu dešava neka promena ne znači da se sistem menja već se menja stanje odnosno menja se jedna ili više termodinamičkih osobina sistema koje su parametri stanja ako se pri odigravanju procesa zapaža promena hemijskog sastava onda se taj proces naziva hemijska reakcija izotermski ( T=const.); du=0; izvode se u termostatima izobarski ( P=const.); otvoren sud tj. atmosferski pritisak, nema promene pritiska tj. ΔP=0 izohorski ( V=const.); zatvoren sud tj. konstantna zapremina, ΔV=O, menja se samo pritisak sa promenom temperature adijabatski (nema razmene energije u obliku toplote između sistema i okoline iz čega sledi da se ne menja temperatura okoline a menja se temperatura sistema) izobarsko izotermski ( P=const. i T=const.) izohorsko izotermski ( V=const. i T=const.) endotermni procesi-procesi u kojima se apsorbuje energija kao toplota (npr. isparavanje vode) egzotermni procesi-procesi u kojima se oslobađa toplota iz sistema (npr. sagorevanje) dijatermički zidovi-omogućen transfer energije kao toplote (čelik, bakar, staklo...) adijabatski zidovi-onemogućen transfer energije (Djuarov sud-veoma dobro izolovana posuda visokim vakuumom)

16 Razlika izotermski-adijabatski proces!!! -U većini slučajeva se T sistema menja za vreme promene stanja sistema (T 2 >T 1 ili T 2 <T 1 ) i tada između sistema i okoline nema razmene toplote i to su adijabatski procesi -Ako se promena dešava tako da je T=const. onda se toplota razmenjuje sa okolinom i to su izotermski procesi

17 Endotermni procesi u adijabatskim uslovima-snižava se temperatura sistema Egzotermni procesi u adijabatski uslovimapovećava se temperatura sistema Endotermni procesi u dijatermičkim uslovima-toplota u sistem (temperatura sistema se ne menja) Egzotermni procesi u dijatermičkim uslovima-oslobađanje toplote u okolinu (temperatura sistema se ne menja)

18 Ravnotežno stanje ili stanje ravnoteže stanje sistema u kome se parametri stanja ne menjaju sa vremenom i ne dolazi do transporta mase i energije stacionarno stanje je stanje u kome se parametri stanja sa vremenom takođe ne menjaju, ali dolazi do transporta mase i energije za sistem se kaže da se nalazi u stanju termodinamičke ravnoteže ako je u stanju u kome se nijedna termodinamička veličina ne menja i kad istovremeno postoje 3 tipa ravnoteže: -termička:u svakom njegovom delu temperatura konstantna -mehanička:nema makroskopskih kretanja u sistemu ili sistema u odnosu na okolinu -hemijska:ne menja se hemijski sastav tokom vremena odnosno isti je u svim tačkama sistema

19 ENERGIJA, RAD I TOPLOTA -sva merenja toplote i promena u energijama se mogu svesti na direktno merenje rada -rad se vrši za vreme nekog procesa kada se taj proces može iskoristiti za promenu visine tega određene mase u okolini -rad se vrši kada gas, šireći se, pomera klip u cilindru i podiže teg -sistem vrši rad ako podiže teg u okolini a prima rad ako se teg spušta -energija je oblik postojanja materije, svako telo poseduje energiju -energija je mera sposobnosti tela da izvrši rad -energija je kvantitativna mera svih oblika kretanja u sistemu; energija i kretanje su uzajamno povezani Unutrašnja ili sopstvena energija sistema, U predstavlja ukupnu (kinetičku i potencijalnu) energiju sistema, odnosno energiju čestica u sistemu (molekula, atoma, jona). energije elektrona, jezgara i veza atoma kinetička energiju translacije, rotacije i u molekulima vibracije potencijalna energiju međusobnih interakcija čestica Unutrašnja energija sistema ne obuhvata potencijalnu energiju sistema kao celine usled njegovog položaja u prostoru i kinetičku energiju kretanja sistema kao celine. U termodinamici se posmatraju sistemi koji miruju i nalaze se van gravitacionog ili elektromagnetnog polja.

20 Apsolutna vrednost unutrašnje energije nije poznata (nemoguće je znati sve njene komponente) i u termodinamici je važno znati promenu unutrašnje energije, U. Unutrašnja energija sistema zavisi od prirode sistema, njegove mase i od parametara stanja sistema. Sa povećanjem mase sistema raste energija sistema, pa se ubraja u ekstenzivne osobine sistema. Unutrašnja energija sistema više tela jednaka je zbiru unutrašnjih energija svakog od njih ponaosob i energijama interakcija među njima (u tankom sloju na granici tela; mala je i može se zanemariti) Toplota dovedena sistemu povećava pokretljivost molekula usled čega raste unutrašnja energija a samim tim se povećava i temperatura sistema koja je direktna mera unutrašnje energije. Rad koji sistem vrši ili se nad njim vrši takođe izaziva promenu unutrašnje nergije koja može da se smanjuje ili raste. Energija se definiše kao sposobnost sistema da vrši rad tako da kada: vršimo rad na nekom sistemu (sabijamo gas) povećavamo mu sposobnost za vršenje rada, odnosno povećavamo mu energiju sistem vrši rad (pomera se klip pa se gas širi) energija se smanjuje, sistem može da vrši manje rada nego ranije rad W = F dl sila koja deluje na telo beskonačno mali put odnosno rastojanje za koje pomeramo telo

21 Termodinamika-rad pri promeni zapremine (širenje ili sabijanje gasa) a zbog gasova koji učestvuju u reakcijama. cilindar pokretni klipom bez mase i trenja dva graničnika koji drže klip na određenoj visini početna zapremina gasa V 1 i pritisak P ako je spoljašnji pritisak P ex < P gas se širi nasuprot spoljašnjem pritisku dw =- F dz izvršen rad širenja P ex = F / A površina klipa dw=-p ex A dz A dz = V W = -P V

22 Znak minus zato što se vrši rad nasuprot dejstva sile što dovodi do smanjenja unutrašnje energije sistema. Ukoliko je manji spoljašnji pritisak utoliko gas vrši manji rad, i ako je na kraju P 2 = 0 onda se pri širenju gasa ne vrši rad odnosno gas se slobodno širi (širenje gasa u vakuunu). Rad zavisi od puta, odnosno od načina na koji sistem menja stanje iz čega sledi da rad nije funkcija stanja sistema već da zavisi od puta kojim sistem prolazi iz početnog u krajnje stanje. Drugi način promene energije je zbog razlike u temperaturi između sistema i okoline i tada kažemo da se energija prenosi kao toplota zbog postojanja temperaturske razlike, za razliku od rada koji predstavlja oblik prenošenja energije zbog dejstva sila duž puta.

23 Rad i toplota su načini, oblici predaje energije sa sistema na okolinu i obrnuto Toplota-kada se energija prenosi okolini u vidu toplote stimuliše se haotično kretanje molekula okoline Rad-uređeni oblik predaje energije (prenos energije organizovano, uređenim kretanjem molekula kao kada se teg diže ili spušta njegovi atomi se kreću organizovano)

24 Rad se može prevesti u toplotu i obrnuto, toplota se može prevesti u rad. Rad se može prevesti u toplotu bez ikakvog ograničenja, dok se toplota može prevesti u rad samo uz određene uslove. Rad se može neposredno prevesti u bilo koji oblik energije, međutim energija (toplota) bez prethodnog prevođenja u rad može da se iskoristi jedino za popunjavanje zaliha tj. unutrašnje energije. Toplota kao i rad nije funkcija stanja sistema već funkcija puta. *Unutrašnja energija kao i oblici njenog prenošenja, toplota i rad izražavaju se u istim jedinicama J (1J=Nm=1kgm 2 s -2 odnosno 1J=Pam 3 ). Po konvenciji znak se određuje zavisno od toga da li sadržaj unutrašnje energije sistema raste ili opada pa je znak unutrašnje energije, rada i toplote pozitivan, kada sistem prima energiju a negativan kada je sistem odaje. Apsorbovana toplota je pozitivna, jer tada sadržaj energije raste, a oslobođena toplota je negativna jer tada energija sistema opada. Ako sistem vrši rad, sadržaj energije opada, pa je taj rad negativan ( W < 0 ). Rad koji sistem prima je pozitivan (W > 0), jer se posmatra enegetska promena (u ovom slučaju energija sistema se povećava).