környezeti kémia: a termodinamika főtételei, a kémiai...
TRANSCRIPT
![Page 1: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/1.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 1
Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai
egyensúly
Bányai István
DE TTK Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék
![Page 2: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/2.jpg)
A fizikai-kémia és környezeti kémia I.
• A fizikai kémia – Az alapelvek megfogalmazása (jelenlegi)
– A jelenségek összefoglalása
• Környezetkémiai „esetek” – Gyors helyzetelemzés (benzin-víz, vörösziszap)
– Biológia véd, a kémia szennyez (gombamérgezés)
– NIMBY
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 2
![Page 3: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/3.jpg)
A fizikai-kémia és környezeti kémia II.
• A termodinamika (egyensúlyok) – Spontán változások a környezetben (N2)
– Az egyensúly stabilitása (megbomlása, „nem bomlik”)
• A szerkezet (számítási kémia) – „screening” ez a legkörnyezetbarátabb kémia
(vegyipar, gyógyszeripar)
– lehetetlen folyamatok (felső légkör)
• Kinetika (transzportofolyamatok) – a környezet nincs egyensúlyban
– a környezet nem keverhető
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 3
![Page 4: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/4.jpg)
A szellemi környezetszennyezés
• A szellemi környezetszennyezés – visszaélés a médiával: üzleti és kevésbé hitbéli
– példák: fluorid (szódium fluorid), http://antalvali.com/fluor-es-fluoridok-hasznos-vagy-karos.html )
– http://www.sikerrefel.hu/tudod-e-hogy-mi-valojaban-a-fluorid/
– http://www.natursziget.com/egeszseg/20091204-patkanymereggel-mosunk-fogat
Oka: a tudomány előrehaladása, elektronikus középkor, a tudományos eredmények eltávolodása az embertől
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 4
![Page 5: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/5.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 5
A termodinamika főtételei 0. főtétel: A termikus egyensúlynak nem feltétele az, hogy
a rendszerek érintkezzenek, elegendő a hőmérséklet azonossága és a rendszer homogén volta.
I. főtétel: Az energia-megmaradás tétele. Nincs rá
bizonyíték, tapasztalati törvény. A termodinamika nyelvezete
II. főtétel: A természetes folyamatok mind
irreverzíbilisek. A reverzíbilitás fogalma és nyelvezete az események úgy történnek, ahogyan várjuk III. főtétel: Az abszolút zérus fok absztrakció
![Page 6: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/6.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 6
Rendszerek, falak
nyílt
zárt
izolált
![Page 7: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/7.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 7
Endoterm és exoterm folyamatok
Izolált rendszerben a hőmérséklet változása mutatja a hőszínezetet
Zárt rendszerben a hőcsere
![Page 8: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/8.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 8
Az I. főtétel (hő és munka fogalma)
Rendszer: A B A Bd d dU U U U U U
adiabatikus
diatermikus
A
B
Ami munkavégzés történik, a
dugattyú mozogása:
A Bd d d dU U U W
Az A „ a rendszer” belső energiája:
d d dA BU U W
Mivel A merev falú csak energia-
átadás történik:
A Ad d dU Q W
A belső energia és a hő definíciója
![Page 9: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/9.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 9
Energiátadás és munkavégzés
![Page 10: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/10.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 10
Az ideális hőerőgép: a hő és munka kapcsolata, körfolyamat fontossága
Mechanikai sík, azaz a munkát mutatja
m a
m
T T
T
A hatásfok 1, ha Ta = 0 0 ha Ta = Tm
![Page 11: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/11.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 11
Energia sík, termikus sík
S
T T1
T2
S
1 2
2 1
d ( )
d ( )
W W T T S
W T T S
![Page 12: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/12.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 12
Munkák: KELVIN TÉTELE (II. főtétel)
d d + d
reverzíbilis:
d = d d d d
mivel U és S állapotfüggvény
d 0
U Q W
U Q W T S W
W
Nem reverzíbilis úgy lehet, ha a hőcsere nem reverzíbilis, akkor viszont a TdS nem egyenlő Q-val és
d 0W Ez azonban akkor lehet ha legalább 2 T van és nem azonosak
![Page 13: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/13.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 13
Munkák II, ha nem termikus munka van: nem hőerőgépek!
.
.
.
d d + d
reverzíbilis, :
d d d d d d
d d d d d d d
d d d d d d
el pot i i
el pot i i
el pot i i
U Q W
p áll
U T S p V F l U q n
U T S p V F l U q n G
H T S F l U q n G
Elemek: töltés áramlása feszültség között
Ember: anyagáram kémiai potenciál között
Hőerőgép: entrópia áramlása hőmérsékletkülönség között
![Page 14: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/14.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 14
A második főtétel
Környezetétől elszigetelt rendszer entrópiája csak nőhet, ha benne valós (irreverzíbilis) folyamatok játszódnak le.
dd 0revQS
T
Tankönyvi példa: dugattyú izolálva, de a külső nyomás kisebb mint a belső, benne tökéletes gázzal. A számolásra nagyon kell vigyázni! Reverzíbilis út.
![Page 15: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/15.jpg)
Az entrópiáról • „Nem tudja azt senki fia, mitűl nő az
entrópia.” (RaKeTa)
• A rendezetlenség mértéke? – a víz rendezetlenebb mint a jég, a gőz mint a víz
– egyensúlyban a fluid fázis arányát növeljük ha hőt közlünk!!!!
– hőt kell közölnünk valamivel, hogy rendezetlenebb legyen (?) TS nő azaz Q =T S ha reverzíbilis
– Ha nem reverzíbilis akkor Q ‹T S, mert a felvett hőből egy rész visszamegy (pl. surlódás), vagy fel se veszi, mert a nem reverzíbilis munkavégzés kisebb!
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 15
![Page 16: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/16.jpg)
A II. főtétel
• Összevetés az elsővel – az I. főtétel a hő és a munka összegével
foglalkozik
• Megfogalmazások – spontán változások, amelyekben munkavégzés
történhet (nem lehet melegítve a téglát házat építeni, de fordítva igen)
– a rendszer instabilis állapotból stabilis állapotba kerül
– a rendszerbe fektetett munka spontán folyamatban disszipálódik.
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 16
![Page 17: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/17.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 17
A folyamatok iránya valós rendszerekben
(izolált rendszer valójában nincs)
Ha egy rendszer nyomása állandó és benne nincs munkavégzés más csak térfogati munka
A reverzíbilis munkavégzés mindig nagyobb
d d
d d 0
d d d d d
d d d d 0
d d dd d d
d d ( ) d d
d d 0 d 0
rev
rev
rev rev
rev rev
revrev
W W
W W
U Q W Q W
W W Q Q
Q Q QQ Q S
T T T
T S Q p áll T S H
H T S G
![Page 18: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/18.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 18
Bevezetés vége
![Page 19: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/19.jpg)
Környezeti kémia
![Page 20: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/20.jpg)
Termodinamikai számítások
G = H – TS
dG = dH – TdS-SdT T,p=áll.
dG = dH – TdS
ΔS > 0
ΔG < 0 spontán változásnál
![Page 21: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/21.jpg)
Nitrogén és oxigén reakciója?
Képződési
szabadental
pia, ΔG°,
kJ/mol
NO(g) 86,5
NO2(g) 51,37
N2O4(g) 98,14
N2O(g) 104,38
HNO3 (f) -79,9
HNO3(aq) -111,25 Preisich Miklós: Vegyészek zsebkönyve, Bp. 1963,
578p.
ΔG° > 0 Még több N2
és O2 képződne
2 2N O termék
![Page 22: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/22.jpg)
NO2 parciális nyomása a levegőben
ΔRG°= -RT lnK
K= pNO22 / pN2·pO2
2
lnK= -2 · 51370 / 8,31 · 298 = -41,49
K=e-41,49 = 9,59 ·10-19
K= x2 / 0,8 · 0,22
x = 1,75 · 10-10 a NO2 parciális nyomása a levegőben
2 2 2N 2O 2 NO
![Page 23: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/23.jpg)
Képződhet HNO3 ?
ΔRG°= 4 · ΔfG°HNO3 - ΔfG°H2O = 4 · (- 79,9) - 2 · (-237) =
=154,4 kJ/mol
K= pHNO34 / pN2
2·pO25 ·pH2O
2
lnK=-154400/8,314/298 = -62,35
pHNO3=3,52 · 10-9 bar
2 2 2 32 N 5 O 2 H O 4 HNOK
![Page 24: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/24.jpg)
~0,1 mol/kg oldószer
pH ≈ 1 lenne
Tengervíz pH = 7,8-8,2
HNO3 gőznyomás vs. koncentráció
Tang, Munkelwitz, Lee: Vapor-liquid equlibrium measurements for dilute nitric acid solutions , Atmospheric Environment Vol. 22, No. 11, pp. 2579-2585,1988.
![Page 25: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/25.jpg)
Vége
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 25
![Page 26: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/26.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 26
gőzgép
kazán
turbina(dugattyú)
tápszivattyú
hűtő
kondenzátor
p1 T1 izoterm izobár
p2 T1
p2T2
p1T1
![Page 27: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/27.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 27
Dugattyús gőzgép és működési diagramja
A B
C
DE
töltés (izobár)
expanzió (adiabatikus)
fáradt gőz ki (nyomása leesik)
dugattyú kiszorítja a gőzt (izobár)
friss gőz be
(nyomásugrás fel)
V
p
Mechanikai hatásfok 90 %, a termikus hatásfok 15%
![Page 28: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/28.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 28
Robbanó motorok (gázgépek)
1.Szívás: benzin levegő be
2. Sűrítés: két szelep zárva
3. Munkaütem: robbanás
4.Kipuffogás
A
A
B
B
![Page 29: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/29.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 29
Munkadiagram
AE
p
V
szívás
B
sűrítés
C
robbanás
D
munkvégzés
kipuffogás
Ve/Va =1/6 pb/pc = 10/30(bar) Tc = 1500 oC, Td = 600
Hat. fok= 50 % (Carnot 80 %)
![Page 30: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/30.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 30
Üzemanyag (mivel fejlesztjük a hőt)
![Page 31: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/31.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 31
Alternatív tüzelőanyagok
Hidrogén gazdaság
![Page 32: Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/20160919_Bevezetes.pdf · A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022040819/5e66285193e09829504fba52/html5/thumbnails/32.jpg)
2015.09.23. Környezeti fizikai kémia 32
A működés módja, és maximális hatásfok
Ha A>B akkor az legyen a munkagép és B
a hűtőgép. Ez azt jelenti, hogy qc kevesebb
munkával kerül vissza: egy hőtartályos gép.