Hemijska termodinamika
Download
1 / 30

Hemijska termodinamika Poglavlje 2.1 Osnovni pojmovi Termodinamički sistem - PowerPoint PPT Presentation


  • 255 Views
  • Uploaded on

Hemijska termodinamika Poglavlje 2.1 Osnovni pojmovi Termodinamički sistem Termodinamičke osobine Stanje sistema Parametri stanja Termodinamička ravnoteža Termodinamički proces Energija Rad Toplota Prvi zakon termodinamike – Zakon o održanju energije.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Hemijska termodinamika Poglavlje 2.1 Osnovni pojmovi Termodinamički sistem' - violet-mcintosh


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.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

Hemijska termodinamika

Poglavlje 2.1

Osnovni pojmovi

Termodinamički sistem

Termodinamičke osobine

Stanje sistema

Parametri stanja

Termodinamička ravnoteža

Termodinamički proces

Energija Rad Toplota

Prvi zakon termodinamike– Zakon o održanju energije


Termodinamika: ispituje stanja materije preko energetskih veličina kao i energetske promene koje prate univerzalne procese u prirodi i vezu tih promena sa osobinama materije koja učestvuje u ovim promenama.

Termodinamika se bazira na dva fundamentalna zakona-

I i II zakonu, koji sumiraju ljudsko iskustvo pri konverziji

različitih oblika energije.

Primenom relativno jednostavnih pretpostavki i definicija kao i dobro postavljenih matematičkih postupaka mogu se razmatrati veoma složeni sistemi i procesi koji se svode na relativno jednostavne probleme. Na taj način se može doći do rezultata od bitnog značaja pre svega za prirodne nauke: hemiju, fiziku, fizičku hemiju i biologiju kao i za tehničke nauke i brojne specijalizovane oblasti. Sistematizovanjem eksperimentalnih podataka može se predvideti principijelna mogućnost za odigravanje nekog procesa.


Primena:

U fundamentalnim naukama razmatranje energestkih promena u najrazličitijim sistemima i procesima. Tako u hemiji je na primer od značaja da se odrede egzaktni uslovi za spontanost hemijskih reakcija i za uspostavljanje hemijske ravnoteže.

U primenjenim naukama razmatranje

zagrevanja i hlađenja zgrada, efikasnot

mašina, rad baterija, prenos energije u

biološkim sistemima, izolatori, provodnici

itd.

  • Nedostaci:

  • ne razmatra se struktura sistema niti mehanizam procesa

  • ne razmatra se brzina procesa jer vreme nije termodinamička promenljiva


Termodinamika: Proučava put i način promene energije gde se termo odnosi na toplotu a dinamika na put promene

(a) održanje energije

(b) pravac promene i molekulsku stabilnost


Termodinamički pojmovi

Termodinamički sistem i okolina

Sistem: deo sveta koji je izabran za termodinamičko razmatranje. Uže govoreći sistem je određena količina (ili količine) neke supstancije (ili supstancija) koja nas interesuje. Sistem može biti reakcioni cilindar, neka mašina, elektrohemijska ćelija, živa ćelija...

Okolina: sve van sistema je okolina (merenja vršimo u okolini)

Definicija sistema zavisi od granica koje odvajaju sistem od okoline- tj. da li se energija i masa mogu razmenjivati groz granice sistema

Homogen sistem: skroz uniforman po svojim fizičkim i hemijskim

osobinama tj. kada su mu sve osobine iste u svim delovima ili se

kontinuirano menjaju od tačke do tačke

Heterogen sistem: osobine se menjaju od tačke do tačke


Otvoren: postoji razmena mase i energije iz

sistema prema okolini ili od okoline prema sistemu

Zatvoren : kada u toku neke promene stanja u

sistemu nema razmene supstancije sa okolinom,

tj. masa je konstantna, a dolazi samo da razmene

energije sa okolinom

Izolovan sistem : kada nema mehaničkog i termičkog kontakta između zatvorenog sistema i okoline, što znači da nema razmene ni mase ni energije između sistema i okoline kroz granice sistema


Termodinamičke osobine:

Ekstenzivne-zavise od količine materije u sistemu

Primer: masa, zapremina, unutrašnja energija, entalpija…

Intenzivne- nezavisne od količine materije u sistemu

Primer: temperatura, pritisak, viskoznost, napon pare,

površinski napon…

Ekstenzivna osobina može postati intenzivna određivanjem jedinice

količine materije koja se razmatra

Primer: zapremina, toplotni kapacitet…

Stanje sistema je određeno parametrima stanja.

  • količina supstancije, n

  • pritiska, P

  • zapremina, V

  • temperatura ,T


  • termička-temperatura u svim

    delovima sistema ista

Termodinamička ravnoteža-stanje sistema u kome se ni jedna termodinamička osobina ne menja

hemijska-hemijski sastav isti u svim delovima sistema

mehanička- nema makroskopskih

kretanja u sistemu ili sistema u

odnosu na okolinu


Termička ravnoteža

Nulti zakon termodinamike-Ako se posmatraju

sistemi A, B i C i ako su sistemi A i C kao i B i C

u termičkoj ravnoteži, tada moraju biti i A i B u

termičkoj ravnoteži jedan u odnosu na drugi

Dijatermički zidovi dozvoljavaju prenos energije

u obliku toplote

Adijabatski zidovi kroz koje nema protoka energije


Termodinamički proces

predstavlja svaku promenu stanja sistema

Ako se promena stanja

  • Izobarski proces je promena stanja sistema pri konstantnom pritisku,

  • ΔP=0. Na pV dijagramu proces je predstavljen horizontalnomlinijom

  • Izohorski proces je promena stanja sistema pri konstantnoj zapremini,

  • ΔV=0. Na pV dijagramu ovaj proces je predstavljen vertikalnom linijom

  • Izotermski proces je promena stanja sistema pri konstantnoj

  • temperaturi, ΔT=0. Krive u PV dijagramu suhiperbole-izoterme

  • Ciklični proces ili ciklus je promena stanja između istog početnog

    i krajnjeg stanja. Na pV dijagramu ovakav proces je predstavljen

    zatvorenom linijom.


Endoterman proces-

u kome se apsorbuje

toplota

Egzoterman proces-

u kome se oslobađa

toplota

Endoterman proces u

dijatermičkom sudu (c):

opadanje temperature okoline

Egzoterman proces u

dijatermičkom sudu (d):

porast temperature okoline


Rad, toplota i energija

Energija: sposobnost da se vrši rad – energija se može razmenjivati

između sistema i okoline u obliku toplote i rada. To je osobina sistema.

Jedinica: J (džul)

Rad: prenos energije koji se koristi za promenu visine tega u

okolini Na mikroskopskom nivou prenos energije u kome se koristi

uređeno kretanje molekula.

Toplota: prenos energije usled

razlike u temperaturi između

sistema i okoline, u kome se koristi

heotično (termičko) kretanje

molekula

Rad i toplota nisu osobine sistema

i javljaju se samo pri promeni stanja

sistema. Jedinica J (džul)


Znak promene energije, toplote i rada

Znak promene termodinamčkih veličina određen je dogovorom,

po konvenciji.

Znak se određuje uvek sa aspekta sistema i to ako se datom

promenom stanja sadržaj unutrašnje energije sistema povećava

znak promene je pozitivan a ako se sadržaj unutrašnje energije

smanjuje znak je negativan

Rad i toplota kao oblici prenošenja energije imaju znak u skladu

sa ovom konvencijom

Rad koji sistem vrši je negativan, wsis<0

Rad koji sistem prima je pozitivan, wsis>0

Oslobođena toplota je negativna, qsis<0

Apsorbovana toplota je pozitivna, qsis>0


Formulacija I zakona termodinamike

Zakon o održanju energije bio je relativno rano poznat, ali je važio

samo za mehaničke sisteme. Priroda toplote nije bila poznata.

  • Vezu između toplote i mehaničkog rada prvi zapazio je grof Rumford.

  • Eksperimenti Devija u vezi oslobođene toplote pri trljanju dva komada

  • leda u vakuumu, bili su potpora Rumfordovim tvrdnjama.

  • Majer je teorijskim proračunima pokazao da postoji određeni odnos

  • između utrošenog mehaničkog rada i oslobođene toplote. Ovaj odnos,

  • danas poznat kao mehanički ekvivalent toplote, Majer je prvi odredio.

  • Džul je svojim mnogobrojnim eksperimentima i dokazao vezu

  • između toplote i rada.


Grof Rumford, (1753-1814)

Rođen u Woburnu, Masačusets. Dobar

deo života proveo u službi Bavarske

vlade gde je i dobio titulu Grof svete

Rimske imperije. Najznačajniji doprinos

objašnjenje prave prirode toplote.

On je zaključio da se mehanički rad

pri bušenju topovskih cevi trenjem

transformiše u toplotu, suprotno

kaloričkoj teoriji o konzervaciji toplote.

Zaključke do kojih je došao, Rumford

je iste godine izložio pred Kraljevskim

društvom u Londonu opovrgavajući

kaloričku teoriju.

Benjamin Thomson


Rumford je osnovao Kraljevski

institut u Engleskoj, ustanovio

Rumfordovu medalju Kraljevskog

društva i osnovao Katedru hemije

na Harvardu.

Dao je mnoge praktične izume

kao što su kamin, centralno

grejanje, rerna, ekspres lonac

i dr.

Bio je kontraverzna ličnost, arogantan,

bez mnogo prijatelja. U životu su mu se ponavljali ciklusi uspona i

padova.


Humfry Davy (1778-1829)

Devi je bio engleski hemičar koji je

gasove ispitivao udišući ih. Pokazao je

da hlorovodonik ne sadrži kiseonik

i da je hlor element kome je dao ime

Najviše se bavio elektrohemijom.

Izveo je prvo elektrohemijsko

razlaganje, izolujući kalijum, barijum, stroncijum,

kalcijum i magnezijum. Pokazao je da električna

provodljivost zavisi od temperature, površine i dužine

provodnika.


Julius Robert von Mayer (1814-1878)

Majer je bio sin apotekara a studije medicine

završio 1832. na Univerzitetu u Tibungenu.

Putovao je kao brodski lekar od Roterdama

do Jave. Bavio se preračunom količine

energije oslobodjene sagorevanjem hrane.

Tako je prvi izračunao mehanički

ekvivalent toplote, J=w/q (3,56J/cal).

Mada je njegov rezltat objavljen pet

godina pre Džulovog, Džul je proglasio da je

Majerov rezultat ništa drugo do

neosnovana hipoteza.Majer je takođe utvrdio da je “vitalni

hemijski proces” neophodan izvorenergije živih organizama.

Majer je pokušao samoubistvo i kraj života proveo u psihijatrijskoj

ustanovi.


James Prescott Joule(1818-1889)

Rođen u Salfordu, Engleska, učio kod kuće a od 14 godina

jednom nedeljno pohađao časove hemije kod Daltona.

Od 1838. počeo da izvodi eksperimente, a te godine objavio

prvirad. Pokazao da je oslobođena toplota pri prolasku

struje kroz provodnik .

U dugoj seriji vrlo brižljivih eksperimenata,

Džul je nastavio da meri pretvaranje rada u

toplotu na različite načine: indukovanjem

električne struje u namotaju žice koji rotira

između polova magneta, sabijanjem ili

širenjem vazduha, teranjem tečnosti kroz

fine kapilare ili rotacijom lopatica u vodi i

živi.


Na osnovu Majerovog teorijskog rada i Džulovog

eksperimentalnog došlo se do zaključka da postoji

ekvivalentnost između utrošenog rada, bez obzira na

njegovo poreklo i oslobođene toplote.

Mehanički ekvivalent toplote predstavlja

konačan i konstantan odnos između izvršenog mehaničkog

rada i prouzvedene toplote koji iznosi 4,1860 J/cal.

Toplotni ekvivalent mehaničkog rada je odnos

između utrošene toplote i izvršenog rada i iznosi

0,2389 cal/J


Perpetuum mobile I vrste

U vreme Džula i Majera, veliki broj naučnika se

bavio i pokušajima stvaranja energije određene

vrste bez utroška ekvivalentne količine energije

druge vrste. Takva mašina koja bi proizvodila

mehanički rad neprekidno, bez utroška energije iz

nekog spoljašnjeg izvora predstavlja tzv.

perpetuum mobile I vrste. Praksa je pokazala,

naravno, da je nemoguće stvoriti takvu mašinu.


I zakon termodinamike

1847. Helmholc (H. Helmholtz, 18211894) je

pokazao da su nemogućnost perpetuum mobila I

vrste i ekvivalentnost mehaničkog rada i toplote

samo aspekti jedne opšte generalizacije koja je

postala poznata kao I zakon termodinamike.

Helmholc je takođe, ovaj zakon postavio na bolju

matematičku osnovu. Ovo je jedan od

fundamentalnih zakona, primenljiv na sve prirodne

pojave, od koga nema izuzetaka.


Hermann ludwig ferdinand von helmholtz
HermannLudwigFerdinandvonHelmholtz

Хелмхолц је завршио медицину и прво радио као хирург, после чега наставља своју академску каријеру као професор физиологије у Кенигсбергу, Бону и Хајделбергу, а затим до своје смрти 1894. у Берлину у Институту за физику.

1821-1894


Хелмхолц је био ментор или је сарађивао са многим касније такође признатим научницима међу којима су били Макс Планк, Хенрих Кајзер, Еуген Голдштајн, Хенри Роуланд, Алберт Мајкелсон, Хенрих Херц, Вилхелм Вин и наравно наш Михајло Пупин.


Хелмхолцови изуми

  • Током бављења физиолошким проблемимаизумео је1851.офталмоскоп и развио математичку теорију овог и данас значајногинструмента.

  • Неколико следећих година се бави развојем торије вида и звука у оквиру тога је изумео резонатор


У периоду 1880. враћа се термодинамици и 1882. прави разлику између »везане« и »слободне« енергије уводећи нову термодинамичку функцију која је постала позната као Хелмхолцова слободна енергија или функција рада. Такође је извео једначину познату као »Gibbs-Helmholtz-ова« једначина, у чијој поставци Гибс није учествовао


I zakon termodinamike термодинамици и 1882. прави разлику између »везане« и »слободне« енергије уводећи нову термодинамичку функцију која је постала позната као

Energija se ne može stvoriti ili uništitiali se može

prevoditi iz jednog oblika u drugi.

Kada je količina jedne vrste energije stvorena, tačno

ekvivalentna količina druge vrste ili vrsta mora biti

utrošena. Stoga ukupna energija nekog izolovanog

sistema mora ostati konstantna, mada energija može

prelaziti iz jednog oblika u drugi. Ovo je postulat koji

se ne dokazuje matematički, ali iskustvo potvrđuje

da je ispravan.


P термодинамици и 1882. прави разлику између »везане« и »слободне« енергије уводећи нову термодинамичку функцију која је постала позната као

2

1

V

I zakon termodinamike

Jednačina je matematički izraz

I zakona termodinamike prema kome je:

(a) Toplota i rad su ekvivalentni oblici energije i

predstavljaju samo način promene unutrašnje

energije

Ako se zatvoren sistem menja iz stanja 1 u 2 i ako je jedina interakcija sistema sa okolinom u obliku prenošenja toplote q na sistem ili rada w na sistem, tada je promena unutrašnje energije sistema:

U = U2 U1 = q + w

Prema ovoj jednačini je promena u unutrašnjoj energiji zatvorenog sistema jednaka energiji koja prolazi kroz granice sistema kao rad i toplota.


I zakon termodinamike термодинамици и 1882. прави разлику између »везане« и »слободне« енергије уводећи нову термодинамичку функцију која је постала позната као

Alternativni izraz I zakona termodinamike:

U bilo kom termodinamičkom procesu, unutrašnja

energija univerzuma (izolovanog sistema), mora biti konzervirana (konstantna) pošto energija ne može biti ni stvorena ni uništena

Ovo sledi iz gornjeg zaključka da je nemoguće

konstruisati perpetuum mobile I vrste


P термодинамици и 1882. прави разлику између »везане« и »слободне« енергије уводећи нову термодинамичку функцију која је постала позната као

2

1

V

I zakon termodinamike

Ukupna promena unutrašnje energije u ciklusu je

jednaka zbiru promene unutrašnje energije na

prvom i drugom putu:

i jednaka je nuli jer se sistem vraća u početno

stanje

Prvi zakon izražen za beskonačno malu promenu

stanja sistema je oblika:

dU = đq + đw


ad