1 / 46

Chapter 1: Thermodynamics

Physical Chemistry. Chapter 1: Thermodynamics. Physical Chemistry. The study of the underlying physical principles (fundamental principles) that govern the properties and behavior of chemical systems. ศึกษาระบบทางเคมีโดยใช้หลักทางฟิสิกส์ Thermodynamics (อุณหพลศาสตร์)

may-saunders
Download Presentation

Chapter 1: Thermodynamics

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Physical Chemistry Chapter 1: Thermodynamics

  2. Physical Chemistry The study of the underlying physical principles (fundamental principles) that govern the properties and behavior of chemical systems ศึกษาระบบทางเคมีโดยใช้หลักทางฟิสิกส์ • Thermodynamics (อุณหพลศาสตร์) • Kinetics (จลนศาสตร์) • Statistical Mechanics (กลศาสตร์สถิติ) • Quantum Chemistry (เคมีควอนตัม)

  3. Outline • Introduction (Review of Gas Properties) • 1st, 2nd, and 3rd laws of Thermodynamics • Helmholtz and Gibbs free energies • Partial molar properties, Chemical potential, and Fugacity • Thermodynamics of solutions

  4. Thermodynamics “The study of heat, work, energy and the changes they produce in the states of systems (the relationships between the macroscopic properties of a system)”

  5. Objective of thermodynamics To make predictions about the behavior of matter, based on a small number of general principles.

  6. Surrounding System Definitions • System (ระบบ) ส่วนที่เราสนใจ • Surrounding (สิ่งแวดล้อม) ส่วนอื่นๆที่มีผลต่อส่วนที่เราสนใจ • Universe (จักรวาล) ระบบและสิ่งแวดล้อม

  7. Open Closed Isolated Types of Systems • Open System (ระบบเปิด) ถ่ายเท พลังงาน มวล • Closed System (ระบบปิด) ถ่ายเท พลังงาน • Isolated System (ระบบโดดเดี่ยว)ไม่มีการแลกเปลี่ยนมวลหรือพลังงานกับสิ่งแวดล้อม

  8. Properties of Matters • Intensiveproperty: ไม่ขึ้นกับปริมาณหรือขนาดของระบบเช่น ความดัน อุณหภูมิ • Extensive property:ขึ้นกับปริมาณ,ขนาดของระบบเช่น ปริมาตร น้ำหนัก • เช่น ความหนาแน่น

  9. Definitions • State (สภาวะ) ลักษณะหรือสมบัติของระบบ ที่ขณะใดขณะหนึ่ง(เมื่อระบบอยู่ในสมดุลแล้ว)ระบุได้โดยใช้ชุดของ State functions • Equilibrium (สมดุล)* • Process(กระบวนการ)*

  10. Equilibrium Equilibrium(สภาวะสมดุล): สภาวะที่สมบัติมหภาค (macroscopic property) ของระบบมีค่าคงที่และไม่เปลี่ยนแปลงขึ้นกับเวลา • Static equilibrium(สมดุลสถิตย์) ไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆเลย • Dynamic equilibrium (สมดุลพลวัต) มีการเปลี่ยนแปลงในระดับโมเลกุล

  11. Types of Equilibrium • Thermal equilibrium (สมดุลความร้อน) • Mechanical equilibrium (สมดุลกล) • Phase equilibrium (สมดุลเฟส) • Chemical equilibrium (สมดุลเคมี)

  12. State Functions&State Equations • State function(ฟังก์ชันสภาวะ) ตัวแปรที่บอกถึงสมบัติ หรือ สภาวะของระบบที่ขณะเวลาใดเวลาหนึ่ง ไม่เกี่ยวข้องกับอดีตหรืออนาคต ไม่ขึ้นกับเส้นทาง (T, P, V, U, n etc.) • เราไม่สามารถแยกความแตกต่างระหว่างระบบสองระบบที่มี State function ทุกตัวเหมือนกัน • State equations(สมการสภาวะ)ความสัมพันธ์ของฟังก์ชันสภาวะต่างๆของระบบที่ขณะใดขณะหนึ่ง หรือเงื่อนไขที่เป็นไปได้ของฟังก์ชันสภาวะของระบบ ใช้ได้เมื่อระบบอยู่ในสมดุลเท่านั้น

  13. Significance of Equation of State • สมบัติต่างๆของระบบไม่เป็นอิสระต่อกัน แต่ถูกกำหนดโดย equation of state • ในการกำหนดสภาวะของระบบ ไม่จำเป็นต้องทราบตัวแปรสถานะทุกตัว แต่จำเป็นต้องใช้ชุดของตัวแปรสถานะที่มากพอที่จะระบุสภาวะได้ชัดเจน • น้ำ 10 g (ของแข็ง ของเหลว แก๊ส อุณหภูมิ ความดัน) • น้ำ 10 g, 1 atm (ของแข็ง ของเหลว แก๊สอุณหภูมิ) • น้ำ 10 g, 1 atm, 20 °C (ของเหลว) • น้ำ 10 g, 1 atm, 20 °C ของแข็ง (เป็นไปไม่ได้)

  14. State Equation of Ideal Gas • Ideal Gas (แก๊สอุดมคติ) • ไม่มีอันตรกิริยาระหว่างอนุภาค • อนุภาคมีขนาดเล็กมาก • Ideal Gas Law R = 0.0820578 L atm K-1 mol-1= 8.31451 J K-1 mol-1

  15. State Equation of Real Gas • แก๊สจริง • มีอันตรกิริยาระหว่าง อนุภาค (ดูด-ผลัก) • แต่ละอนุภาคมีปริมาตร • a,b เป็นค่าคงที่เฉพาะของแก๊สแต่ละชนิด

  16. แก๊สจริง (REAL GAS) IDEAL GAS 1. ไม่มีแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคหรือโมเลกุล 2. ปริมาตรของโมเลกุลเล็กมากๆ (เป็นจุด) ให้ถือเอาปริมาตรของภาชนะที่บรรจุ คือปริมาตรของแก๊ส 1. มีแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคหรือโมเลกุล (ดูด-ผลัก) 2. แต่ละอนุภาคมีปริมาตร

  17. Repulsion Separation Potential Energy Attraction แก๊สจริง (REAL GAS)

  18. สภาวะที่ Real gasมีลักษณะใกลเคียงกับ ideal gas - อุณหภูมิสูงกวา 0 °C (เพื่อใหพลังงานของโมเลกุลสูงกวาแรงที่โมเลกุลกระทําตอกันมาก) - ความดันตํ่า (เพื่อใหขนาดของโมเลกุลมีคานอยมากเมื่อเทียบกับระยะหางระหวางโมเลกุล)

  19. The van der Waals Equationสำหรับแก๊สจริง VDW coefficients • b: volume taken by molecules • a: attractive and repulsive effects

  20. PV nRT = Z Z = 1 = Compressibility factor ใช้บอกความโน้มเอียงของแก๊สว่า มีพฤติกรรม ใกล้เคียงแก๊สอุดมคติเพียงไร

  21. แก๊สอุดมคติ Z = 1 ทุกสภาวะ กราฟระหว่าง Z กับ Pเป็นเส้นตรงขนานกับแกน P (Slope = 0) แก๊สจริง กราฟไม่เป็นเส้นตรงโดยเริ่มจาก Z = 1 ที่ P = 0 แล้วเบี่ยงเบนทั้งในทางที่ Z > 1 และ Z < 1 ขึ้นกับ อุณหภูมิ

  22. PV nRTB = 1 แก๊สแต่ละชนิด จะมีอุณหภูมิหนึ่งที่แก๊สจริงมีลักษณะใกล้เคียงแก๊สอุดมคติ แต่จะเป็นช่วงความดันหนึ่งเท่านั้น อุณหภูมิซึ่ง Z มีค่าใกล้เคียง 1 และมีค่าเกือบ คงที่ในช่วงความดันหนึ่ง เรียกว่าBoyle’s Temperature (TB)

  23. Critical Point Virial Equation of State • สามารถใชไดกับกาซที่อยูในสภาวะจริงได • แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง P และ V โดยสมการเลขยกกำลัง (power series) Isotherm (CO2)

  24. The van der Waals Equation when p0 or Vm when p0 or Vm ที่ทุกค่าอุณหภูมิ Virial Equation of State Boyle Temperature แต่ pVm = RT ที่อุณหภูมิค่าหนึ่งเท่านั้น

  25. Boyle Temperature • As p  0; dZ/dp  B’(ideal gas dZ/dp = 0 always) • Z (A’, B’, C’, …) depends on temperature • At “Boyle Temperature” (TB) B’=0 TB for He = 22.64 K, TB for air = 346.8 K

  26. Example 1 Use the van der Waals parameters for chlorine to calculate approximate values of Boyle temperature of chlorine. ( a = 6.579 L2 atm mol-2, b = 5.622 x 10-2 L mol-1)

  27. Isotherm of CO2 (Experiment) • C-D-E: p is constant while Vm decreases: liquid and gas are present in equilibrium (vapour pressure) • A: Gas, E: Liquid • Critical Point (Tc, pc, Vc) gas & liquid มีพฤติกรรมเหมือนกัน • Liquid phase of a substance does not form above the critical temperature (Tc) • T >Tc เส้นกราฟ PV มีพฤติกรรมคล้าย ideal gas Critical Point

  28. The Isotherms of VDW Equation

  29. Critical Point x Critical Point • At Tc • Zc=constant for all kinds of gases • Critical constants are characteristic properties of gases (Critical compression factor)

  30. Using reduced variables Reduced Variables V = VrVc T = TrTc P = PrPc • Vr=V/Vc; Tr=T/Tc; pr= p/pc • VDW equation in reduced-variables form • No factors of a and b!

  31. Using reduced variables

  32. StateB i j l k State A Process and Cycle Process(กระบวนการ):เมื่อสมบัติของระบบอย่างหนึ่งอย่างใดเปลี่ยนแปลงไป ส่งผลให้สภาวะของระบบเปลี่ยนไปจากสภาวะเริ่มต้นเป็นสภาวะใหม่ Cycle(วัฏจักร): กระบวนการที่ระบบมีการเปลี่ยนแปลงจากสภาวะเริ่มต้นผ่านสภาวะต่างๆกลับไปสู่สภาวะเริ่มต้น

  33. Processes (Changes) • Isothermal Process อุณหภูมิคงที่ • Isobaric Process ความดันคงที่ • Adiabatic Process ไม่มีการถ่ายเทความร้อน

  34. State B State A Types of Processes กระบวนการเปลี่ยนแปลงจากสภาวะเริ่มต้นไปยังสภาวะสุดท้ายอาจเกิดได้หลายเส้นทาง • Reversible Process (กระบวนการผันกลับได้) • Irreversible Process (กระบวนการผันกลับไม่ได้)

  35. State B i j l k State A Reversible Process • กระบวนการผันกลับได้ คือชุดของการเปลี่ยนแปลง (series of changes) ที่แต่ละขณะเป็นการเปลี่ยนแปลงแบบผันกลับได้ (ใกล้สมดุล) • เมื่อระบบเปลี่ยนจากสภาวะเริ่มต้นเป็นสภาวะสุดท้ายแล้ว ระบบสามารถย้อนกลับมาที่สภาวะเริ่มต้นได้โดยผ่านเส้นทางเดิมได้

  36. P Pext System decrease pext p>pext increase pext p<pext Equilibrium P P Pext Pext 2 1 1 2 System System New Equilibrium Reversible Expansion • กระบวนการขยายตัวแบบผันกลับได้ • ปรับ Pextให้ใกล้เคียงกับ Psysตลอดกระบวนการ

  37. The Energy Transfer • Energy(พลังงาน): ความสามารถในการทำงานหรือให้ความร้อน • Heat(ความร้อน): การถ่ายเทพลังงานที่เกิดขึ้นระหว่างระบบที่มีอุณหภูมิไม่เท่ากัน • Work(งาน): การเคลื่อนวัตถุต่อต้านแรงต้าน

  38. Melting Ice CO2 CaO CaCO3 Heat Heat Heat and Work • Heat การถ่ายเทพลังงานที่ก่อให้เกิดการเคลื่อนที่แบบไม่เป็นระเบียบของระบบ • Work การถ่ายเทพลังงานที่ก่อให้เกิดการเคลื่อนที่ที่เป็นระเบียบของระบบ

  39. Heat • ความร้อนคือการถ่ายเทพลังงานจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังอุณหภูมิต่ำ • 0th law of thermodynamics: TA=TB, TB=TCTA=TC

  40. Heat Capacity • Heat capacity (ความจุความร้อน) ปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการทำให้สารมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 Kelvin • ปริมาตรคงที่ • ความดันคงที่ • Specific heat capacity(ความจุความร้อนจำเพาะ)ปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการทำให้สาร 1 หน่วยปริมาณ มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 Kelvin

  41. P 1 2 System dV pext Pext Pressure V1 V2volume Expansion Work (i) • จากกลศาสตร์ • งานจากการขยายตัว • ถ้าความดันภายนอกคงที่

  42. Psys Pext System Expansion Work (ii) • งานเนื่องจากการขยายตัว • Psys>>Pext; ขยาย (V=+) • Psys>Pext ; ขยาย (V=+) • PsysPext ; ขยาย (V+) • Psys<Pext ; หด (V=-)

  43. กระบวนการ เครื่องหมาย - งานที่ระบบทำให้สิ่งแวดล้อม (แก๊สขยายตัว) + งานที่สิ่งแวดล้อมทำให้ระบบ (แก๊สหดตัว) + ความร้อนที่ระบบดูดกลืนจากสิ่งแวดล้อม (ดูดความร้อน) - ความร้อนที่สิ่งแวดล้อมดูดกลืนจากระบบ (คายความร้อน)

  44. Reversible Expansion Work • เราสนใจเฉพาะกระบวนการผันกลับได้ (แต่ละขณะระบบใกล้สมดุลกล) คือ PsysPext • Isobaric Process (P คงที่) • Isothermic Process (T คงที่)

  45. พลังงานภายใน (Internalenergy, U) คือ ผลรวมของพลังงานจลน์ อันเนื่องมาจากการ เคลื่อนที่, การสั่น, การหมุนของโมเลกุล การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน และรวมถึงพลังงานศักย์อันเนื่องมาจากแรงกระทำ ระหว่างโมเลกุลและอนุภาคต่าง ๆ ในโมเลกุล

  46. Internal Energy of Ideal Gas • Ideal Gas(แก๊สอุดมคติ) • แต่ละอนุภาคไม่มี interaction กัน • อนุภาคเคลื่อนที่แบบสุ่ม • ความเร็วของอนุภาคขึ้นกับอุณหภูมิ • มีพลังงานจลน์ ไม่มีพลังงานศักย์ • พลังงานภายในขึ้นกับอุณหภูมิ

More Related