Chemická termodynamika I

Základní pojmy Termodynamika se zabývá energetickými změnami, které doprovázejí přírodní děje Termodynamický systém(soustava)=část světa, kterou se zabýváme Otevřený - vyměňuje s okolím hmotu a energii Uzavřený - vyměňuje energii, nikoli hmotu Izolovaný - nevyměňuje ani hmotu ani energii

Základní pojmy Homogenní systém – vlastnosti jsou ve všech místech stejné nebo se mění spojitě – 1 fáze Heterogenní systém – skládá se z fází navzájem oddělených ostrým rozhraním Stav systému= souhrn vlastností, vyjádřených fyzikálními veličinami

Základní pojmy Stavové veličiny - jsou funkcí okamžitého stavu systému. Jejich změny při přechodu z 1. do 2. stavu závisejí pouze na konečném a počátečním stavu systému, ne na způsobu jakým se přechod uskutečnil Stavové proměnné – přímo měřitelné veličiny

Základní pojmy Intenzívní veličiny – jejich hodnota nezávisí na množství Extenzívní veličiny – měří množství Rovnovážný stav – nedochází k časovým změnám stavových veličin Částečná rovnováha – časově se nemění 1 veličina

Základní pojmy Reverzibilní=vratný děj – systém se samovolně vrací do původního stavu - utopie Ireverzibilní=nevratný děj – systém se samovolně nevrací do původního stavu

Nultý termodynamický princip Dvě tělesa jsou v tepelné rovnováze, jestliže každé z nich je v rovnováze s tělesem třetím

Výměna energie mezi soustavami Celková energie systému   vnější vnitřní   kinetická potenciální V termodynamice se vnější energií nezabýváme – o systému uvažujeme tak, jako by se nalézal v místě mulové potenciální energie a nepohyboval se

Způsoby výměny energie s okolím Práce – takový způsob výměny energie, při němž působením nějaké síly dochází buď k posunu nebo otočení mikročástic či celých těles Práce plynu V…změna objemu plynu p…tlak plynu S…plocha na kterou síla působí l…posun tělesa F…síla

Vnitřní energie Vnitřní energie – U – je spojena s různými druhy pohybu a vzájemného působení částic a částí vytvářejících systém (translační, rotační, vibrační pohyb atomů v molekule nebo krystalové mřížce, energie vzájemného působení molekul a atomů, energie elektronů v atomech atd.) Absolutní hodnota U není známa, měří se pouze změny nebo ji vztahuje ke konvenční 0

Teplo Teplo Q souvisí s neuspořádaným pohybem molekul, s jejich kinetickou energií.

První termodynamický princip Zákon zachování energie Jestliže systém přijme od okolí teplo Q a práci W vzroste jeho vnitřní energie o hodnotu U, která se rovná součtu dodané práce a tepla +W, +Q dodaná energie -W, -Q odevzdaná energie

Aplikace I. termodynamického principu Izotermický děj Izochorický děj Izobarický děj Adiabatický děj

Izotermický děj T=konst p, V=proměnné Stavová rovnice pro izotermický děj 1.stav 2.stav grafem je hyperbola Boylův-Mariottův zákon

Izotermický děj Formulace I.TP Vychází z termodynamické definice ideálního plynu: vnitřní energie ideálního plynu je závislá pouze na teplotě U = f(T)  U=0 je-li T=konst. -W = Q Všechno dodané teplo se mění na práci.

Izotermická expanze a komprese Proti konstantnímu vnějšímu tlaku -W = pvn.V

Izotermická expanze a komprese snižování tlaku po krocích snižování tlaku kontinuálně

Izotermická expanze a komprese Kontinuální snižování tlaku Vykonaná práce

Při kontinuálním snižování tlaku je vykonaná práce největší – odpovídá téměř vratnému ději

Izochorický děj V=konst p, T ……proměnné W=pV V=0  W=0 I. termodynamický princip U = QV Teplo vyměněné při konstantním objemu soustavy QV je rovno změněn vnitřní energie soustavy

Izochorický děj … měrná (specifická) tepelná kapacita za konstantního objemu = množství tepla, potřebné k ohřátí 1 kg (1g) soustavy o 1 K při V=konst. Jednotka…………….J/K.kg, J/K.g

Izochorický děj … molární tepelná kapacita za konstantního objemu = množství tepla, potřebné k ohřátí 1 molu soustavy o 1 K při V=konst. Jednotka…….J/K.mol

Izochorický děj Stavová rovnice pro izochorický děj 1.stav 2.stav Charlesův zákon

Izobarický děj P=konst. V, T ……proměnné I. termodynamický princip U=QP + W Systém koná práci a vyměňuje s okolím teplo Práce W = - p.V QP = U + p.V QP = UB-UA+p(VB-VA) = UB+pVB-(UA+pVA)

Entalpie Izobarický děj A…….počáteční stav B…….konečný stav QP = U + p.V QP = UB-UA+p(VB-VA) = UB+pVB-(UA+pVA) H = U + p.V …….entalpie QP = HB – HA = H Teplo vyměněné při konstantním tlaku je rovno změně stavové funkce entalpie

Izobarický děj ….. měrná (specifická) tepelná kapacita za konstantního tlaku = množství tepla, potřebné k ohřátí 1 kg (1g) soustavy o 1K Jednotka………………J/K.kg , J/K.g

Izobarický děj …. molární tepelná kapacita za konstantního tlaku = množství tepla, potřebné ohřátí 1 molu soustavy o 1K Jednotka………………J/K.mol

Izobarický děj Stavová rovnice pro izobarický děj 1.stav 2.stav Gay-Lussacův zákon

Mayerův vztah CP + CV = R CP………….molární tepelná kapacita za konstantního tlaku CV………….molární tepelná kapacita za konstantního objemu

Odvození Mayerova vztahu U je pouze funkcí teploty 

Adiabatická expanze a komprese Systém nevyměňuje s okolím teplo Q=0 I.TP U = W Systém koná práci na úkor vnitřní energie Vzhledem k tomu, že U je stavová funkce, platí, že U pro izochorický děj = U pro adiabatický děj W = U = n.CV.T kde

Adiabatická expanze a komprese W < 0  U klesá  T < 0  teplota systému klesá, systém se ochlazuje Adiabatická komprese W > 0  U roste  T > 0  teplota systému roste, systém se ohřívá

Poissonovy rovnice Vyjadřují závislost vždy dvou stavových veličin Poissonova konstanta

Poissonova konstanta Závisí na struktuře molekuly plynu Jednoatomové plyny Dvouatomové plyny Tříatomové plyny