Ľudmila Komorová Katedra chémie Hutnícka fakulta, TU v Košiciach VITAJTE ! Ľudmila Komorová Katedra chémie Hutnícka fakulta, TU v Košiciach

Kurz Fyzikálnej chémie,1.ročník poslucháčov bakalárskeho štúdia

FYZIKÁLNA CHÉMIA- úvod FYZIKA-CHÉMIA 1887 Fyzikálna chémia,Lipsko Študuje všeobecné zákonitosti chemických dejov a používa zákony fyziky

Základné otázky FCH Kam smerujú procesy ? Ako rýchlo tam smerujú?

Odvetvia FCH Náuka o štruktúre látok Termodynamika Elektrochémia Kinetika Koloidná chémia

Využitie termodynamiky Elektrárne Ľudské telo Klimatizácia Lietadlá Radiátory Chladiace systémy 6

TERMODYNAMIKA definícia: Oxforský slovník: Teória súvislostí medzi teplom a mechanickou energiou a ich vzájomnou premenou Sonntag a Van Wylen: veda, ktorá sa zaoberá prácou a teplom a vlastnosťami látok

TERMODYNAMIKA definícia: Van Ness: štúdium energie a jej premien Malá slov. encyklopédia: časť termiky skúmajúca vlastnosti a procesy veľkých sústav bez prihliadnutia na ich mikroštruktúru; skúma najma energiu sústavy a jej zmeny vyvolané tepelnou výmenou a prácou

TERMODYNAMIKA Chemická:používa termodynamické zákony na chemické reakcie Inžinierska:zaoberá sa prácou tepelných strojov Štatistická:formuluje vzťah medzi vlastnosťami atómov a vlastnosťami sústavy

Základné pojmy termodynamiky ENERGIA,TEPLO,PRÁCA, TEPLOTA,SÚSTAVA,OKOLIE....

HISTÓRIA TERMODYNAMIKY Kalorická teória Premena mechanickej práce na teplo Mechanický ekvivalent tepla Premena tepla na prácu Termodynamické vety

Benjamin Thompson gróf Rumford 1753-1814

Julius Robert von Mayer 1814-1878

James Prescott Joule 1811-1889

Nicolas Léonard Sadi Carot 1796-1832

Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz 1821-1894

Josiah Willard Gibbs 1839-1903

William Thompson (Lord Kelvin) 1824-1907

Sústava Časť hmoty alebo priestoru Okolie – všetko mimo sústavy Uzavretá sústava Otvorená sústava Izolovaná sústava Adiabatická Okolie – všetko mimo sústavy Hranica Stacionárna Pohyblivá

Uzavretá sústava E Sústava E

Otvorená sústava Látka Energia Ohrievač vody Energia Látka

Analýza sústav Prístup je odlišný pre otvorené a uzavreté sústavy Energia existuje v rôznych podobách Používajú sa termodynamické veličiny

Energia = E Makroskopická Mikroskopická Vzhľadom na určitý referenčný stav Mikroskopická Vztiahnutá na molekulárnu štruktúru

Jednotky energie J (kJ) = Joul (alebo Kilo Joul = Joul x 103) Nm = Newton meter kalória (cal)= teplo potrebné na ohrev 1 g vody pri teplote 15ºC o 1ºC 1 kcal = 1000 cal 25

Makroskopická energia Kinetická energia (KE) Potenciálna energia (PE)

Iné druhy makroskopickej energie Magnetická Elektrická Povrchové napätie

Mikroskopická energia Kinetická energia jednotlivých molekúl Potenciálna energia jednotlivých molekúl Väzbové sily Chemická energia Jadrová energia Sčítajú sa spolu a zahrnú do vnútornej energie (U)

Makroskopická a mikroskopická energia sú statické formy energie- môžu sa v systéme zhromažďovať

Dynamická energia Keď sa energia pohybuje z jedného miesta na druhé Jediné druhy energie, ktoré môžu prechádzať cez hranicu sústavy bez prenosu látky sú: Teplo (q) Práca (w)

Teplo Sústava nemôže obsahovať teplo Teplo existuje iba ako energia, ktorá prestupuje cez hranice sústavy To čo pokladáme sa tepelný obsah sústavy je Tepelná energia Teplo je energia, ktorá sa prenáša pri rozdiele teplôt Všetky ostatné formy prenosu energie sú práca!!

Vlastnosti sústavy termodynamické veličiny Intenzívne Nezávisia od veľkosti sústavy Teplota Tlak Extenzívne Závisia od veľkosti sústavy Objem Hmotnosť Celková energia

Symboly termodynamických veličín a jednotky hmotnosť teplota tlak hustota energia teplo práca objem m, kg T, K or °C P, kPa , kg/m3 E, kJ q, J, kJ w, J, kJ V, m3

Vlastnosti sústavy sa dajú definovať aj pomocou: Hustoty = m/V Špecifického objemu v = V/m = 1/ Extenzívne vlastnosti sa dajú vyjadriť na jednotkové množstvo látky Špecifické vlastnosti u = U/m je špecifická vnútorná energia

Specifické termodynamické veličiny Špecifický objem Špecifická energia Špecifická entalpia Špecifická entropia Converts extensive properties into intensive ones

Koľko termodynamických veličín?

GIBBSOV ZÁKON FÁZ v = z – f + 2 v- počet stupňov voľnosti z- počet zložiek (počet nezávislých zložiek) f - počet fáz

Definície v,z a f v – počet stupňov voľnosti je najmenší počet veličín, ktorý jednoznačne definuje termodynamický (makroskopický) stav sústavy z- je počet zložiek a) u sústav, v ktorých zložky medzi sebou neragujú sú to všetky prvky a zlúčeniny, ktoré sú v sústave b) v chemických reakčných sústavách je celkový počet zložiek zmenšený o počet chemických reakcií medzi prítomnými zložkami f- počet fáz: z koľkých homogénnych častí sa sústava skladá

Jednofázová, (homogénna) jednozložková sústava

Termodynamický stav Termodynamický stav jednozložkovej a jednofázovej sústavy môžeme definovať P,T V,P P,V

Termodynamický (makroskopický) stav V danom stave majú všetky termodynamickéické veličiny sústavy stálu hodnotu Ak sa zmenia zmení sa stav Termodynamika sa zaoberá rovnovážnymi stavmi

Rovnovážny stav Rovnováha je idealizovaný stav, v ktorom nejestvujú „hnacie sily“, ktoré by mali schopnosť meniť stav sústavy Hnacími silami sú gradienty teploty, tlaku, hustoty alebo zloženia It is not possible to define the state of a system if it is too far from equilibrium and hence changing rapidly either in space or time. This is one of the trickiest parts of thermodynamics!

Proces Zmena z jedného rovnovážneho stavu do druhého Cesta je sériou stavov, ktorými sústava pri procese prechádza Diagramy procesov

Proces (schéma) Proces Prenos látky Prenos tepla Práca Sústava v stave 1 Sústava v stave 2 Proces Prenos tepla Práca Prenos látky specify the working substance and the physical arrangement Then what kind of process (succession of states) is required to get from state 1 to state 2?

P T Stav 1 Stav 2 Cesta procesu Diagram Procesu T2 P2 P1 T1

Definícia stavu Stav jednofázovej sústavy je úplne definovaný dvoma nezávislými, intenzívnymi vlastnosťami

Definícia stavu Stav jednofázovej sústavy je úplne definovaný dvoma nezávislými, intenzívnymi vlastnosťami

Izo Často budeme hovoriť o procese, pri ktorom je jedna vlastnosť konštantná Izotermický Konštantná teplota Izobarický Konštantný tlak Izochorický Konštantný objem Adiabatický Bez výmeny tepla

Tlak Sila, ktorou pôsobí tekutina na jednotkovú plochu Má význam iba pre plyn alebo kvapalinu V tuhých látkach hovoríme o napätí

Jednotky tlaku jeden Pascal nie je veľký tlak!! 1 atm = 101,325 Pa 1 atm = 101.325 kPa = 1.01325 bar=760 mm Hg

Barometer A h Poznámka: Tlak meraný barometrom je nezávislý od plochy prierezu

Barometer P=gh Pre daný barometer sú hustota a gravitačné zrýchlenie konštantné Tlak je priamo úmerný výške Tlak sa môže merať aj v mm Hg 1 atm = 760 mmHg

Manometer Používa sa na porovnávanie tlakov Atmospherický tlak plyn

Nultý zákon termodynamiky Ak sú dve telesá v rovnováhe s tretím telesom, potom sú v rovnováhe medzi sebou Základ merania teploty

Teplota Miera obsahu energie na jednotku látky Meria sa pomocou: teplomerov,termočlánkov,pyrometrov atď. Jednotky: ºC, K K = 273 + ºC

Teplo Teplo je forma energie. Teplo nie je teplota. Sústavy neobsahujú teplo, majú tepelnú energiu. Jednotkou tepla je (J, kJ)

PRÁCA Sústava koná prácu ak pôsobí sila po dráhe Jednotkou práce je Joul Objemová práca w = pV Práca nie je termodynamická funkcia!

Vratný a nevratný proces Vratný (reverzibilný) – malou zmenou vlastnosti sa sústava vráti do pôvodného stavu- sústava prechádza sériou rovnovážnych stavov Nevratný (ireverzibilný)- prebieha iba v jednom smere

Termodynamická funkcia Zmena nezávisí od spôsobu (cesty) realizácie procesu ale len od začiatočného a konečného stavu Má úplný diferenciál Kruhový integrál diferenciálu =0

Zhrnutie : Termodynamický (makroskopický) stav Definovaný termodynamickými veličinami Počet termodynamických veličín na definíciu termodynamického stavu vyplýva z Gibbsovho zákona fáz Termodynamické veličiny: P,T,V...