Fyzikálně-chemické aspekty procesů v prostředí Předmět je zaměřen na studium fyzikálně-chemických aspektů procesů v prostředí, tj. na principy termodynamické, kinetické, elektrochemické a na základní východiska statistické mechaniky Obsah předmětu, základní pojmy, I.věta termodynamická, aplikace na ideální plyn II. věta termodynamická, pojem entropie, Gibbsova volná energie III. věta termodynamická, chemická rovnováha, relace rovnovážné konstanty a Gibbsovy energie Pojem aktivity, Debye - Hückelova teorie Oxidačně-redukční reakce, elektrodové děje, Eh prostředí Reakční kinetika, procesy 1. řádu a řádů vyšších Kinetika simultánních procesů Kinetika heterogenních soustav se sorpcí - specifické příklady Pojem dynamického systému, linearita, nelinearita a její důsledky Numerické řešení DR – Runge-Kutta metoda, Galerkinova metoda (okrajové úlohy) Základy statistické termodynamiky, entropie, Boltzmannův distribuční zákon

Systém = soustava Termodynamika nezkoumá mikrostrukturu, rozlišuje obecně vymezenou soustavu – systém determinovaný (jako celek) stavovými parametry. Mezi systémem a jeho okolím může probíhat výměna hmoty a energie. Q W Systém (soustava) izolovaný - nevyměňuje hmotu ani energii s okolím uzavřený - nevyměňuje hmotu, vyměňuje energii otevřený – vyměňuje hmotu i energii (např. živý organizmus) otevřený s ustáleným tokem

Formy energie vyměňované s okolím Teplo Q - výměna probíhá v důsledku teplotního rozdílu Práce W - výměna probíhá působením sil objemová – změna objemu media tvořícího soustavu mechanická Znaménková konvence Vždy je odčítán počáteční stav od konečného (obecně platné - v matematice viz. určitý integrál) Tzn: + energie dodaná do systému - energie odebraná ze systému W > 0 systém odebírá práci W < 0 systém koná práci Q > 0 systém odebírá teplo - endotermický děj Q < 0 systém produkuje teplo - exotermický děj Q = 0 adiabatický děj

Fáze, složky, skupenské přeměny Fáze – homogenní oblast soustavy - vykazující pouze spojité změny vlastností v prostoru Soustava složená z jedné fáze je homogenní Soustava složená z více fází je heterogenní Složka – každá fáze může být složena s více chemických individuí – složek Jako složky jsou brána pouze chemická individua, jejichž koncentrace lze nezávisle měnit. Tj. nikoli látky vznikající z nezávislých složek chemickou reakcí, resp. látky koncentračně závislé na složkách prostřednictvím chemických rovnováh. Skupenská přeměna – nespojitá změna vlastnosti soustavy nastávající při specifických p,T podmínkách Skupenství: plyn tekutiny kapalina kondenzovaný tuhá látka stav plazma

Stav a rovnováha soustavy Stav soustavy je determinován stavovými veličinami - nezávisí na způsobu – cestě jakou se soustava do daného stavu dostala Např. p, T, V, n Vlastnosti soustavy vyjádřené stavovými veličinami: Extenzivní – mají aditivní charakter (jsou součtem částí) m, V, celk. E Intenzivní – nezávisí na látkovém množství – p, T, ρ, c, U Teplo Q a práce W nejsou stavovými veličinami vztahují se k termodynamickému ději probíhajícímu z počátečního stavu do stavu rovnovážného Termodynamická rovnováha: Mechanická (vyrovnání tlaků) Tepelná (vyrovnání teplot) Koncentrační Fázová (mění-li se skupenský stav) Chemická

Termodynamický děj Do rovnovážného stavu může soustava přejít: Dějem vratným (reverzibilním) – cesta nekonečně malými kroky nekonečně dlouhou dobu přes stavy nekonečně blízké rovnováze, směr děje lze kdykoli obrátit - např. expanze plynu při nekonečně pomalém snižování vnějšího tlaku Dějem nevratným (ireverzibilním) – přechod probíhá v konečném čase, v soustavě, resp. v jejím okolí dochází k nevratným změnám - např. expanze stlačeného plynu do vnějšího prostředí s atmosférickým tlakem Reálné děje probíhají nevratně Typy dějů: - izotermický konstantní teplota [T] - izobarický konstantní tlak [p] - izochorický konstantní objem [V] - adiabatický teplo se nevyměňuje s okolím Q = 0 - izoentalpický konstantní entalpie [H] - izotentropický konstantní entropie [S]

Ideální plyn – stavová rovnice Ideální plyn je jako zcela homogenní medium vymezen: f(p,T,V,n) = 0, f(p,T,Vm) = 0, p = p(T, Vm) Směsi: f(p,T,V,ni) = 0, f(p,T,Vm,xi) = 0 Na rozdíl od reálného plynu je zcela zanedbána molekulová struktura a mezimolekulární interakce Stavová rovnice ideálního plynu p V = n R T resp. p Vm = R T Plynová konstanta R = 8,314 J. K-1.mol-1 p1 V1 = p0 V0 [T] izoterma V1 / T1 = V0 / T0 [p] p1 / T1 = p0 / T0 [V]

Stavové chování ideálního plynu Roztažnost – koeficient izobarické roztažnosti: Stlačitelnost – koeficient izotermické stlačitelnosti: Rozpínavost – koeficient izochorické rozpínavosti: Samozřejmě platí: Pro ideální plyn vychází:

Ideální plyn - směsi Daltonův zákon parciální tlak Amagatův zákon

Ideální plyn – objemová práce Objemová práce dodaná soustavě