uvod u termodinamiku,osnovni pojmovi.pdf
TRANSCRIPT
-
TERMODINAMIKA
osnovni pojmovi
energija, rad, toplota
-
TERMODINAMIKA
TERMO TOPLO
DINAMO SILA
Termodinamika-nauka odnosno nauna disciplina koja ispituje odnose izmeu promena u
sistemima i energetskih efekata koje prate te promene. Termodinamika prouava pretvaranje
jednog vida (oblika) energije u drugi.
Poetak razvoja termodinamike-prouavanje toplotnih maina (Karnoo)
nauka o kretanju toplote
O pokretakoj sili ognja i mainama sposobnim da razviju tu silu"
Prvo je bila primenjena na hemijskim pa onda na fizikim procesima.
Klasina termodinamika se ne bavi atomsko-molekulskom strukturom i reakcionim
mehanizmom (termodinamika i kinetika teorija gasova). Npr. objanjenje temperature preko
kinetike energije (kinetika teorija gasova) a u termodinamici je neovisna o posmatranju samog
molekula (makroskopski se posmatra).
Termodinamika govori o mogunosti odigravanja hemijske reakcije ali ne i o brzini jer vreme
nije termodinamika promenjiva.
-
Opta termodinamika-osnovni principi (zakoni) i zakonitosti koje iz njih proizilaze; procesi
vezani za promenu stanja materije praene energetskim promenama.
Tehnika termodinamika-primena termodinamikih zakona na toplotne maine, odnosno
uzajamno pretvaranje toplote i rada.
Hemijska termodinamika (termohemija)-primena termodinamikih principa za
prouavanje sistema sa hemijskim i faznim promenama.
TERMODINAMIKA
OPTA
TEHNIKA
HEMIJSKA
hemijska reakcija hemijska jednaina
hemijska termodinamika
-
ime se bavi termodinamika?
uslovima pod kojima se proces odigrava
prouava toplotne efekte (koliinu toplote i rad), koji se javljaju odigravanjem hemijskih reakcija i faznih prelaza
odnosno prouava promene energije koje prate proces
objanjava mogunost spontanog odigravanja hemijskih reakcija ili faznih prelaza u odreenim uslovima
uslovima pod kojima razliiti procesi dostiu stanje ravnotee
odnosno utvruje smer odigravanja hemijske reakcije
objanjava sve procese u svim agregatnim stanjima ak i u plazmi i dovodi ih u vezu sa energetskim promenama
Karno , Dul, Tomson, Bertlo, Kirhof , Gibs, Helmholc, van Hof, Nernst....
-
OSNOVNI TERMODINAMIKI POJMOVI
termodinamiki sistem
termodinamike osobine ili termodinamike promenjive
stanje sistema i parametri stanja
termodinamiki proces
termodinamika ravnotea
-
SISTEM
deo univerzuma koji je predmet ispitivanja:
uzorak u balonu, epruveti; elektrolitika elija; iva elija ...a sve ostalo je okolina
OKOLINA SISTEM
ako dolazi do razmene energije ili mase ili i jednog i drugog izmeu pojedinih delova
sistema ili izmeu sistema i okoline (razmena mase, razmena toplote i vrenje rada)
Termodinamiki sistem
vodeno kupatilo; termostat; atmosfera...
-
Homogeni sistem-u svim njegovim delovima sve osobine (fizike i hemijske) su iste, ili se
kontinuirano menjaju od take do take tj. nema take ili povrine unutar sistema, osim
granica sistema, gde dolazi do nagle promene neke njegove osobine. Sastoji se od jedne
faze (na primer: gasovi, smee gasova, iste tenosti, teni i vrsti rastvori)-monofazan
sistem.
Heterogeni sistem-postoje take ili povrine gde se neka ili vie osobina naglo menjaju.
Moe se sastojati iz veeg broja homogenih delova odnosno sastoji se od dve ili vie
faza ( na primer: tenost i para iznad rastvora, dve tenosti koje se ne meaju, tenost i
vrsta supstanca ili dve vrste supstance).
Faza-fiziki i hemijski homogeni deo heterogenog sistema koji je svojom graninom
povrinom odvojen od ostalih delova sistema. Svaka faza se moe sastojati od vie
komponenata.
Komponenta je element ili jedinjenje koje se u istom stanju moe izolovati.
-
Sistemi
Otvoren: iva elija, veliki broj industrijskih
aparata, soba - tipian primer otvorenog sistema
Zatvoren: gas u cilindru sa klipom u kontaktu sa
termostatom. Masa pojedinih komponenti moe da
se menja samo kao rezultat spontane hemijske
reakcije unutar sistema.
Izolovan: gas ili tenost u cilindru sa toplotno
neprovodnom oblogom
Vrste sistema
granica sistema
-
Termodinamiki kontakt veza izmeu dva sistema koja omoguava interakciju
izmeu njih:
mehanika ako jedan sistem nad drugim vri mehaniki rad
estina ako se vri preraspodela estica izmeu sistema
toplotna ako se prenosi energija izmeu sistema
adijabatska ako granica sistema onemoguava toplotnu interakciju
Termostat-spoljanja okolina termodinamikog sistema koja mu obezbeuje
konstantnu temperaturu
-
Termodinamike osobine ili promenjive
opisuju termodinamiki sistem
etiri se mogu neposredno meriti ime se definie stanje sistema pa se nazivaju parametrima stanja (pritisak, zapremina, temperatura i sastav sistema)
jedno odreeno stanje sistema karakterie se nepromenjivou parametara stanja tokom proizvoljno dugog vremenskog intervala
ekstenzivni osobine ili faktori kapaciteta- zavise od koliine materije (masa, zapremina, entropija, entalpija itd). Imaju aditivan karakter pa je npr. V=Vi
intenzivni osobine ili faktori intenziteta- ne zavise od koliine supstance u sistemu (gustina, pritisak, temperatura, indeks prelamanja, povrinski napon,
molarna zapremina, molska frakcija itd.)
ekstenzivni parametri mogu postati intenzivni svoenjem na jedininu vrednost, jer je kolinik dve ekstenzivne veliine intenzivna veliina. Na primer: masa i
zapremina su ekstenzivni parametri, ali gustina (masa jedinice zapremine) i
specifina zapremina (zapremina jedinice mase) su intenzivni parametri
-
Ako je sistem homogen i sastoji se od jedne komponente sastav je onda poznat pa su
parametri stanja P, V i T. Ako su ova tri parametra odreena onda su i sve druge osobine
sistema odreene.
Za definisanje ovakvog sistema dovoljno je poznavanje dva od tri parametra.
f(P, V, T)=0
npr. PV=nRT
opti oblik jednaine stanja (j-na koja povezuje osnovne
parametre)
jednaina stanja idealnog gasa
Ako je sistem heterogen onda svaka faza ima svoju sopstvenu jednainu stanja.
Termodinamiki parametri definiu samo odreeno stanje bez obzira na prethodna stanja iz ega
sledi da promena bilo koje osobine sistema, kao posledica promene stanja sistema, zavisi samo
od poetnog i krajnjeg stranja. Takve veliine se zovu funkcije stanja sistema to znai da je ta
promena data totalnim ili pravim diferencijalom.
Parametri nisu nezavisno promenljivi odnosno izmeu njih postoji odreena funkcionalna
zavisnost.
-
dTT
VdP
P
VdV
TPfV
PT
),(
totalni ili pravi diferencijal
dV- beskonano mala promena parcijalni izvod funkcije V
2
1
12
V
V
VVVdV
konana promena V iz stanja 1 u stanje 2: zbir
beskonano malih promena, odnosno integral te
funkcije
ako je podintegralna veliina pravi diferencijal, onda rezultat integraljenja ne zavisi od
puta inegracije ve samo od krajnjih taaka pa su to funkcije stanja sistema
-
Y=f( P,T, n1,n2ni)
Y=Y(B) - Y(A)
neka funkcija koja u potpunosti karakterie
jedno stanje sistema
poetno stanje
krajnje stanje
Prelaz iz stanja A u stanje B moe da se ostvari razliitim putevima. Promena funkcije
stanja zavisi samo od poetnog i krajnjeg stanja, a ne zavisi od puta izmeu tih
stanja
zagrevanje vode na 60C
I zagrevanjem od sobne temperature npr. 20C
do 60C
II zagrevanjem do kljuanja, a onda hlaenjem
do 60C
-poetna i krajnja temperatura je ista i iznosi 20C odnosno 60C
-razmenjuje se toplota sa okolinom (ili se oslobaa ili se apsorbuje)
-toplota zavisi od puta prelaska iz jednog u drugo stanje sistema kao i rad
-
0dU
ciklus Yi=0
promene Y u svakom stupnju ciklusa
ciklus ili kruni proces (vraanje na poetno stanje)
u funkcije stanja sistema ubrajaju samo one termodinamike veliine ije su
ukupne promene u krunom procesu jednake nuli
npr. promena unutranje energije jednog ciklusa
-
Termodinamiki proces
promena stanja sistema
kada se u sistemu deava neka promena ne znai da se sistem menja ve se menja stanje odnosno menja se jedna ili vie termodinamikih osobina sistema koje su
parametri stanja
ako se pri odigravanju procesa zapaa promena hemijskog sastava onda se taj proces naziva hemijska reakcija
izotermski ( T=const.); dU=0; izvode se u termostatima
izobarski ( P=const.); otvoren sud tj. atmosferski pritisak, nema promene pritiska tj. P=0
izohorski ( V=const.); zatvoren sud tj. konstantna zapremina, V=O, menja se samo pritisak
sa promenom temperature
adijabatski (nema razmene energije u obliku toplote izmeu sistema i okoline iz ega sledi da
se ne menja temperatura okoline a menja se temperatura sistema)
izobarsko izotermski ( P=const. i T=const.)
izohorsko izotermski ( V=const. i T=const.)
endotermni procesi-procesi u kojima se apsorbuje energija kao toplota (npr. isparavanje
vode)
egzotermni procesi-procesi u kojima se oslobaa toplota iz sistema (npr. sagorevanje)
dijatermiki zidovi-omoguen transfer energije kao toplote (elik, bakar, staklo...)
adijabatski zidovi-onemoguen transfer energije (Djuarov sud-veoma dobro izolovana
posuda visokim vakuumom)
-
-U veini sluajeva se T sistema menja za vreme promene stanja
sistema (T2>T1ili T2
-
Endotermni procesi u adijabatskim
uslovima-sniava se temperatura sistema
Egzotermni procesi u adijabatski uslovima-
poveava se temperatura sistema
Endotermni procesi u dijatermikim
uslovima-toplota u sistem (temperatura sistema
se ne menja)
Egzotermni procesi u dijatermikim
uslovima-oslobaanje toplote u okolinu
(temperatura sistema se ne menja)
-
Ravnoteno stanje ili stanje ravnotee
stanje sistema u kome se parametri stanja ne menjaju sa vremenom i ne dolazi do transporta mase i energije
stacionarno stanje je stanje u kome se parametri stanja sa vremenom takoe ne menjaju, ali dolazi do transporta mase i energije
za sistem se kae da se nalazi u stanju termodinamike ravnotee ako je u stanju u kome se nijedna termodinamika veliina ne menja i kad
istovremeno postoje 3 tipa ravnotee:
-termika:u svakom njegovom delu temperatura konstantna
-mehanika:nema makroskopskih kretanja u sistemu ili sistema u odnosu
na okolinu
-hemijska:ne menja se hemijski sastav tokom vremena odnosno isti je u
svim takama sistema
-
ENERGIJA, RAD I TOPLOTA -sva merenja toplote i promena u energijama se mogu svesti na direktno merenje rada
-rad se vri za vreme nekog procesa kada se taj proces moe iskoristiti za promenu visine
tega odreene mase u okolini
-rad se vri kada gas, irei se, pomera klip u cilindru i podie teg
-sistem vri rad ako podie teg u okolini a prima rad ako se teg sputa
-energija je oblik postojanja materije, svako telo poseduje energiju
-energija je mera sposobnosti tela da izvri rad
-energija je kvantitativna mera svih oblika kretanja u sistemu; energija i kretanje su uzajamno
povezani
Unutranja ili sopstvena energija sistema, U predstavlja ukupnu (kinetiku i
potencijalnu) energiju sistema, odnosno energiju estica u sistemu (molekula, atoma, jona).
kinetika energiju translacije, rotacije i
vibracije potencijalna energiju meusobnih interakcija estica
energije elektrona, jezgara i veza atoma
u molekulima
Unutranja energija sistema ne obuhvata potencijalnu energiju sistema kao celine
usled njegovog poloaja u prostoru i kinetiku energiju kretanja sistema kao celine. U termodinamici se posmatraju sistemi koji miruju i nalaze se van gravitacionog ili
elektromagnetnog polja.
-
Apsolutna vrednost unutranje energije nije poznata (nemogue je znati sve njene
komponente) i u termodinamici je vano znati promenu unutranje energije, U.
Unutranja energija sistema zavisi od prirode sistema, njegove mase i od
parametara stanja sistema. Sa poveanjem mase sistema raste energija sistema, pa se ubraja
u ekstenzivne osobine sistema. Unutranja energija sistema vie tela jednaka je zbiru unutranjih energija svakog od njih ponaosob i energijama interakcija meu njima (u tankom
sloju na granici tela; mala je i moe se zanemariti)
Toplota dovedena sistemu poveava pokretljivost molekula usled ega raste
unutranja energija a samim tim se poveava i temperatura sistema koja je direktna mera
unutranje energije.
Rad koji sistem vri ili se nad njim vri takoe izaziva promenu unutranje nergije
koja moe da se smanjuje ili raste.
Energija se definie kao sposobnost sistema da vri rad tako da kada:
vrimo rad na nekom sistemu (sabijamo gas) poveavamo mu sposobnost za vrenje rada,
odnosno poveavamo mu energiju
sistem vri rad (pomera se klip pa se gas iri) energija se smanjuje, sistem moe da vri manje
rada nego ranije
W = Fdl
rad sila koja deluje na telo
beskonano mali put odnosno rastojanje za koje
pomeramo telo
-
Termodinamika-rad pri promeni zapremine (irenje ili
sabijanje gasa) a zbog gasova koji uestvuju u
reakcijama.
cilindar
pokretni klipom bez mase i trenja
dva graninika koji dre klip na odreenoj
visini
poetna zapremina gasa V1 i pritisak P
ako je spoljanji pritisak Pex < P gas se iri nasuprot
spoljanjem pritisku
dW =- Fdz izvren rad irenja
Pex= F / A povrina klipa
dW=-Pex A dz A dz = V
W = -P V
-
Znak minus zato to se vri rad nasuprot dejstva sile to dovodi do smanjenja unutranje
energije sistema.
Ukoliko je manji spoljanji pritisak utoliko gas vri manji rad, i ako je na kraju P2 = 0 onda
se pri irenju gasa ne vri rad odnosno gas se slobodno iri (irenje gasa u vakuunu).
Rad zavisi od puta, odnosno od naina na koji sistem menja stanje iz ega sledi da rad nije
funkcija stanja sistema ve da zavisi od puta kojim sistem prolazi iz poetnog u krajnje stanje.
Drugi nain promene energije je zbog razlike u temperaturi izmeu sistema i okoline i tada
kaemo da se energija prenosi kao toplota zbog postojanja temperaturske razlike, za razliku od
rada koji predstavlja oblik prenoenja energije zbog dejstva sila du puta.
-
Rad-ureeni oblik predaje energije (prenos
energije organizovano, ureenim kretanjem
molekula kao kada se teg die ili sputa njegovi
atomi se kreu organizovano)
Rad i toplota su naini, oblici predaje energije sa sistema na okolinu i obrnuto
Toplota-kada se energija prenosi okolini u
vidu toplote stimulie se haotino kretanje
molekula okoline
-
Rad se moe prevesti u toplotu i obrnuto, toplota se moe prevesti u rad.
Rad se moe prevesti u toplotu bez ikakvog ogranienja, dok se toplota moe prevesti u rad
samo uz odreene uslove.
Rad se moe neposredno prevesti u bilo koji oblik energije, meutim energija (toplota) bez
prethodnog prevoenja u rad moe da se iskoristi jedino za popunjavanje zaliha tj. unutranje
energije.
Toplota kao i rad nije funkcija stanja sistema ve funkcija puta.
*Unutranja energija kao i oblici njenog prenoenja, toplota i rad izraavaju se u istim jedinicama J (1J=Nm=1kgm2 s-2 odnosno 1J=Pam3).
Po konvenciji znak se odreuje zavisno od toga da li sadraj unutranje energije sistema
raste ili opada pa je znak unutranje energije, rada i toplote pozitivan, kada sistem prima
energiju a negativan kada je sistem odaje.
Apsorbovana toplota je pozitivna, jer tada sadraj energije raste, a osloboena toplota je
negativna jer tada energija sistema opada.
Ako sistem vri rad, sadraj energije opada, pa je taj rad negativan ( W < 0 ). Rad koji
sistem prima je pozitivan (W > 0), jer se posmatra enegetska promena (u ovom sluaju
energija sistema se poveava).