teČno stanje - ffh.bg.ac.rs · (jačine međumolekulskih sila) • temperature • pritiska ne...
TRANSCRIPT
TEČNO STANJE
ZNAČAJ TEČNOG STANJA
ZNAČAJ TEČNOG STANJA
ZNAČAJ TEČNOG STANJA
STRUKTURNE JEDINICE
Strukturne jedinice tečnosti mogu biti:
• atomi - Hg(l)
• molekuli - Br2(l), H2O(l)
• joni - istopljeni NaCl
AGREGATNA STANJA
čvrsto tečno gas plazma
AGREGATNA STANJA
čvrsto tečno gas
TEČNOSTI PO SVOJSTVIMA
IZMEĐU ČVRSTOG I GASOVITOG STANJA
kondenzovana
stanja fluidi
TEČNO STANJE
Na STP samo su dva elementa u tečnom stanju:
Tečno stanje u najmanjoj meri zastupljeno u svemiru, zato što
tečnosti postoje u uskom intervalu p i T.
TEČNO STANJE
Tečno i čvrsto stanje
Tečno i gasovito stanje
Modeli tečnosti
Međumolekulske interakcije
Unutrašnji pritisak
Napon pare
SVOJSTVA SLIČNA ČVRSTOM STANJU
• nema slobodne rotacije molekula
• mala molarna zapremina / velika gustina
• nestišljivost
• temperatura u znatnoj meri utiče na termodinamička svojstva,
a uticaj pritiska je mali
• velika površinska slobodna energija
• razlika u toplotama faznih prelaza
• radijalna funkcija raspodele
NEMA SLOBODNE ROTACIJE MOLEKULA
čvrsto tečno gas
MALA MOLARNA ZAPREMINA
(VELIKA GUSTINA)
H2O(g) = 3,2610-4 g/cm3 (400C)
H2O(t) = 0,9971 g/cm3 (25C)
H2O(č) = 0,9168 g/cm3 (0C)
Sličnost u gustinama tečnog i čvrstog stanja ukazuje na sličnost
u njihovoj strukturi.
NESTIŠLJIVOST
TP
V
V
1
čvrsto tečno gas
koef. izotermske kompresibilnosti
(bar-1)
10-6 – 10-5 10-4 1 - 10-2
č t g
UTICAJ p NA TERMODINAMIČKA SVOJSTVA
VELIKA POVRŠINSKA SLOBODNA ENERGIJA
RAZLIKE U TOPLOTAMA FAZNIH PRELAZA
H2O(č) H2O(t) Hotop = 6,02 kJ/mol
H2O(t) H2O(g) Hoisp = 40,7 kJ/mol
RADIJALNA FUNKCIJA RASPODELE
RADIJALNA FUNKCIJA RASPODELE
r (nm)
g (r)
U tečnosti postoji uređenost kratkog dometa, ali ne postoji
uređenost dugog dometa.
TEČNO STANJE
Tečno i čvrsto stanje
Tečno i gasovito stanje
Modeli tečnosti
Međumolekulske interakcije
Unutrašnji pritisak
Napon pare
SVOJSTVA SLIČNA GASOVITOM STANJU
• fluidnost
• zauzimaju oblik suda u kome se nalaze
• kontinualnost u faznom dijagramu
FLUIDNOST
č t g
ZAUZIMAJU OBLIK SUDA
U KOME SE NALAZE
č t g
KONTINUALNOST U FAZNOM DIJAGRAMU
TEČNO STANJE
Tečno i čvrsto stanje
Tečno i gasovito stanje
Modeli tečnosti
Međumolekulske interakcije
Unutrašnji pritisak
Napon pare
MODELI TEČNOSTI
Tečnost
• kao neidealni gas
(problem: slobodna rotacija)
• kao neidealno čvrsto stanje
(problem: prehlađene tečnosti)
MODELI TEČNOSTI
Ajringov model značajnih struktura:
• deo tečnosti se ponaša po zakonima idealnog gasnog stanja
• deo tečnosti se ponaša kao kristal
MODELI TEČNOSTI
Kompjuterske simulacije
• molekulsko dinamičke metode
• Monte Karlo metode
Termodinamička svojstva tečnosti.
TEČNO STANJE
Tečno i čvrsto stanje
Tečno i gasovito stanje
Modeli tečnosti
Međumolekulske interakcije
Unutrašnji pritisak
Napon pare
MEĐUMOLEKULSKE INTERAKCIJE
Intramolekulske sile - unutar molekula, međuatomske veze.
Intermolekulske (međumolekulske) sile - između molekula.
• dipol – dipol (orijentacione interakcije)
• dipol – indukovani dipol (indukcione interakcije)
• indukovani dipol - indukovani dipol (disperzione interakcije)
Međumolekulske (van der Valsove) interakcije:
• vodonične veze
• steking interakcije
DIPOL – DIPOL
DIPOL – INDUKOVANI DIPOL
izolovani molekul
(nepolaran)
interakcija dipol - indukovani dipol
permanentni dipol indukovani dipol
INDUKOVANI DIPOL – INDUKOVANI DIPOL
VODONIČNA VEZA
N-H… N- O-H… N- F-H… N-
N-H… O- O-H… O- F-H… O-
N-H… F- O-H… F- F-H… F-
d+ d
VODONIČNA VEZA
STEKING INTERAKCIJE
DNK: VODONIČNE VEZE I STEKING
INTERAKCIJE
MOLEKULSKE INTERAKCIJE
Lenard-Dţonsov potencijal:
e
d
mnpr
B
r
ArU )(
privlačne interakcije
(dugog dometa)
odbojne interakcije
(kratkog dometa)
TEČNO STANJE
Tečno i čvrsto stanje
Tečno i gasovito stanje
Modeli tečnosti
Međumolekulske interakcije
Unutrašnji pritisak
Napon pare
UNUTRAŠNJI PRITISAK
Gustina kohezione energije
Merilo opiranja sistema promeni zapremine.
• veoma izraţen u tečnostima
• slabije izraţen u realnom gasnom stanju
• ne postoji u idealnom gasnom stanju
T
uV
UP
UNUTRAŠNJI PRITISAK
Moţe se izračunati preko:
• temperaturske zavisnosti spoljašenjeg pritiska
• Van der Valsovog koeficijenta a
• mehaničkih koeficijenata
• entalpije isparavanja i molarne zapremine
UNUTRAŠNJI PRITISAK
Moţe se izračunati preko:
• temperaturske zavisnosti spoljašenjeg pritiska
• Van der Valsovog koeficijenta a
• mehaničkih koeficijenata
• entalpije isparavanja i molarne zapremine
UNUTRAŠNJI PRITISAK
PT
PTP
V
u
termički ili kinetički pritisak
moţe se zanemariti
na srednjim pritiscima
TSUA
dqdwdU
I zakon termodinamike:
Helmholcova funkcija rada:
p/(bar) 200 810 2030 5370 7360 9320 11250
pu/(bar) 2830 2880 2560 2050 40 -1610 -4440
Zavisnost unutrašnjeg pritiska dietil-etra od spoljašnjeg pritiska
UNUTRAŠNJI PRITISAK
Moţe se izračunati preko:
• temperaturske zavisnosti spoljašenjeg pritiska
• van der Valsovog koeficijenta a
• mehaničkih koeficijenata
• entalpije isparavanja i molarne zapremine
UNUTRAŠNJI PRITISAK
RTbVV
aP m
m
2
2
m
uV
aP
Van der Valsova jednačina:
PT
PTP
V
u
UNUTRAŠNJI PRITISAK
Moţe se izračunati preko:
• temperaturske zavisnosti spoljašenjeg pritiska
• Van der Valsovog koeficijenta a
• mehaničkih koeficijenata
• entalpije isparavanja i molarne zapremine
UNUTRAŠNJI PRITISAK
Kubni koeficijent širenja:PT
V
V
1
Koeficijent izotermsje kompresibilnosti:TP
V
V
1
PTPu
PT
PTP
V
u
STP:
TPu
UNUTRAŠNJI PRITISAK
Moţe se izračunati preko:
• temperaturske zavisnosti spoljašenjeg pritiska
• Van der Valsovog koeficijenta a
• mehaničkih koeficijenata
• entalpije isparavanja i molarne zapremine
UNUTRAŠNJI PRITISAK
Merilo rada nasuprot unutrašnjeg pritiska pri isparavanju jednog
mola tečnosti je pribliţno molarna latentna toplota isparavanja
Lm,i :
imm
T
mu LVV
UVP ,
m
im
uV
LP
,
UNUTRAŠNJI PRITISAK
Jedinjenje Unutrašnji pritisak / (bar)
Dietil-etar 2400
n-heptan 2540
n-oktan 3010
Ugljentetrahlorid 3350
Benzen 3690
Ugljendisulfid 3720
Ţiva 13200
Voda 20000
Unutrašnji pritisci različitih tečnih supstancija
TEČNO STANJE
Tečno i čvrsto stanje
Tečno i gasovito stanje
Modeli tečnosti
Međumolekulske interakcije
Unutrašnji pritisak
Napon pare
PARA I NAPON PARE
Para: gasovita supstancija nastala isparavanjem; gasovita faza
supstancije koja je pri standardnim uslovima u tečnom stanju.
Napon pare: parcijalni pritisak pare iznad tečnosti sa kojom je
para u ravnoteţi.
F
F'
GE
H
D C
I
J A
A'
H O2
P
Vm
T2
T4
T5
T >T >T >T >T5. 4 3 2 1
NAPON PARE
Para će pokazivati pritisak na zidove suda i površinu
tečnosti. Taj pritisak je napon pare tečnosti, p.
ravnoteţni
napon pareţivin
manometar
RAVNOTEŽA GAS-TEČNOST
U ravnoteţi: brzina isparavanja = brzina kondenzacije
Dinamička ravnoteţa ako je sud zatvoren.
pritisak
pare
tečnost
isparavanje
tečnost gas
kondenzacija
NAPON PARE
Zavisi od:
• prirode tečne ili čvrste faze
(jačine međumolekulskih sila)
• temperature
• pritiska
Ne zavisi od:
• količine supstancije
KLJUČANJE TEČNOSTI
spoljašni pritisak
mehurići
pritisak
unutar mehura
KLJUČANJE TEČNOSTI
TAČKA KLJUČANJA
Temperatura na kojoj je napon pare tečnosti jednak spoljašnjem
pritisku (koji moţe biti veći i manji od atmosferskog).
Normalna tačka ključanja (NTK) – temperatura pri kojoj je napon pare
tečnosti jednak pritisku od 1 atm.
Standardna tačka ključanja (STK) – temperatura pri kojoj je napon pare
tečnosti jednak pritisku od 1 bar.
TAČKE KLJUČANJA VODE NA RAZLIČITIM
NADMORSKIM VISINAMA
lokacija nadmorska visina Patm / mHg Tklj / oC
vrh Mont Everesta, Tibet 8848 240 70
vrh Makinlija, Aljaska 6194 340 79
Lidvil, Kolorado 3094 430 89
Solt Lejk Siti, Juta 1338 650 96
Medison, Viskonsin 274 730 99
Njujork 3 760 100
Dolina smrti, Kalifornija -86 770 100,4
NAPON PARE I TAČKA KLJUČANJA
Što je veći spoljašnji pritisak, to je viša tačka ključanja.
EMPIRIJSKA PRAVILA
Trutonovo pravilo daje vezu između promene entalpije i entropije
isparavanja:
Guldbergovo pravilo: odnos tačke ključanja neke tečnosti i njene
kritične temperature je konstantan i iznosi oko 2/3:
11,,
,, 875,10
KmolJRT
HS
ntk
ntkispm
ntkispm
3
2
c
k
T
T
STANDARDNE ENTALPIJE ISPARAVANJA I
TEMPERATURE KLJUČANJA
jedinjenje Tklj / oC Hisp / kJ/mol
H2O 100,0 30,7
CCl4 76,8 30,0
C6H14 69,0 28,8
CS2 46,2 26,7
CO2 -78,6 25,2
C2H6 -88,6 14,7
CH4 -161,4 8,2
LATENTNA TOPLOTA ISPARAVANJA
Količina toplote potrebna da ispari jedan gram ili jedan mol
tečnosti je latentna toplota isparavanja po gramu ili molu.
V = const unutrašnja latentna toplota isparavanja
(odgovara energiji potrebnoj za savlađivanje kohezionih
sila; ona određuje napon pare)
RT
L
n
num
t
p ,exp
LATENTNA TOPLOTA ISPARAVANJA
p = const ukupna latentna toplota isparavanja, Lm,i.
Lm,i = Lm,u + rad širenja pri isparavanju:
Na kritičnoj temperaturi:
Lm,i zavisi od temperature:
RTLVVpLL um
t
m
p
mumim ,,,
0,, umim LL
pm
imc
dT
dL,
,
T
T
pmimim dTcLL
0
,
0
,,
KLAPEJRONOVA JEDNAČINA
Para i tečnost u ravnoteţi:
Promena temperature za dT napon pare se menja za dp:
Sistem je i dalje u ravnoteţi:
t
m
p
m
tp GG
dpVdTSdGdpVdTSdG t
m
t
m
t
m
p
m
p
m
p
m
dpVdTSdpVdTS t
m
t
m
p
m
p
m
m
m
m
m
t
m
p
m
t
m
p
m
VT
H
V
S
VV
SS
dT
dp
KLAUZIJUS-KLAPEJRONOVA JEDNAČINA
t
m
p
m
im
VVT
L
dT
dp
,
p
RTVVV p
m
p
m
t
m
RTT
pL
TV
L
dT
dp im
p
m
im
,,
2
,ln
RT
L
dT
pd im
KLAUZIJUS-KLAPEJRONOVA JEDNAČINA
2
,ln
RT
L
dT
pd im
21
12,
12
,
1
2 11ln
TT
TTL
TTL
p
pimim
PRIMERI
UTICAJ PRITISKA NA NAPON PARE
Para plus
inertni gas
NAPON PARE I PRITISAK
Para i tečnost u ravnoteţi : ako se pritisak promeni za dP,
napon pare će se promeniti za dp, a Gibsova energija za
Sistem je i dalje u ravnoteţi:
dPVdGdpVdG t
m
t
m
p
m
p
m
pRT
V
V
V
dP
dp t
m
p
m
t
m
/
dPRT
V
p
dp t
m
RT
PPVpp
t
m 1212 exp