soustava - část prostoru s látkovou náplní oddělená od okolí skutečnými nebo myšlenými stěnami okolí prostor vně uvažované soustavy

Transkript

1

2 Soustava soustava - část prostoru s látkovou náplní oddělená od okolí skutečnými nebo myšlenými stěnami okolí prostor vně uvažované soustavy Okolí Hraniční plocha Soustava

3 Soustava Rozdělení podle vztahu k okolí Izolovaná Uzavřená Otevřená Rozdělení podle stejnorodosti Homogenní Heterogenní

4 Soustava Otevřená soustava vyměňuje s okolím energii i hmotu hrnec bez pokličky Uzavřená soustava vyměňuje s okolím energii, nevyměňuje hmotu láhev s minerálkou Izolovaná soustava nevyměňuje s okolím ani energii ani hmotu zavřená mrazící taška Adiabaticky uzavřená tepelná výměna s okolím není možná

5 studuje vlastnosti soustav z energetického hlediska změny v soustavách vyvolané změnou vnějších podmínek Umožňuje: stanovit množství energie vyměněné v různých formách mezi okolím a soustavou určit podmínky uskutečnitelnosti děje určit za jakých podmínek se v soustavě ustaluje rovnováha určit složení soustavy v rovnováze nalézt vhodné podmínky pro získání optimálních výtěžků nelze určit rychlost děje a dobu potřebnou k dosažení rovnováhy

6 Termodynamické veličiny stavové veličiny T, P, V, H, S, G, A, k JT nestavové veličiny Q a W Termodynamická rovnováha stav při kterém v systému neprobíhají žádné makroskopické změny a termodynamické veličiny jsou v čase konstantní rovnováha je posuzována z několika hledisek fázového, chemického, koncentračního, tepelného, mechanického (tlakového)

7 Základní pojmy Teplo změna energie soustavy na základě teplotního rozdílu mezi soustavou a okolím (nejedná se o stavovou veličinu) Práce ostaní formy výměny energie soustavy, při kterých zpravidla dochází k silovému působení mezi soustavou a okolím (nejedná se o stavovou veličinu). Výjimka je elektrická a chemická práce.

8 Znaménková konvence Teplo z hlediska soustavy Q > 0 teplo přivedené do soustavy Q > 0 teplo odevedené ze soustavy Práce W > 0 práce vykonané soustavou W > 0 práce dodaná soustavě

9 Termodynamický děj přechod soustavy z jednoho stavu do druhého hodnoty stavových veličin nezávisí na způsobu, jakým změna proběhla (mění se bez ohledu na cestu, jakou tato změna proběhla) hodnoty nestavových veličin závisí na způsobu, jakým změna proběhla 1. Děje vratné a nevratné (reverzibilní/ireverzibilní) 2. Děje při konstatntní termodynamické veličině 3. Děje kruhové (cyklické)

10 1. Děje vratné a nevratné Vratný děj soustava je v termodynamické rovnováze. Lze se vrátit do výchozího stavu. Systém prochází velkým počtem malých stavových změn, při nichž je vždy nekonečně malá změna kompenzována změnou soustavy. A B A Nevratný děj soustava není v termodynamické rovnováze. Nelye se vrátit do původního stavu. A B C

11 2. Děje při konstantní termodynamické veličině T = konst. izotermický děj p = konst. izobarický děj V = konst. izochorický děj Q = konst. adibatický děj S = konst. izoentropický děj H = konst. izoentalpický děj

12 3. Děje kruhové změnastavové veličiny je nulová změnanestavové veličiny je nenulová A B C D E F A

13 Postulát I O přechodu systému do rovnovážného stavu "Při neměnných vnějších podmínkách dospěje každý systém do stavu termodynamické rovnováhy." v případě, že systém není v rovnováze, jeho vlastnosti se samovolně mění tak, aby systém rovnováhy dosáhl míra rychlosti dosažení relaxační čas

14 Postulát II O vnitřní energii "Vnitřní energie U je stavová extenzivní veličina." Vnitřní energie součet kinetické energie pohybujících se částic, potenciální energie vzájemného přitahování a odpuzování částic a energie záření uvnitř soustavy na hodnotu vnitřní energie nemá vliv pohyb ani poloha soutavy jako celku

15 Postulát III 0. věta termodynamická "Jsou li dvě různá tělesa A a B v tepelné rovnováze (mají stejnou teplotu) s tělesem C, potom jsou v tepelné rovnováze (mají stejnou teplotu) i navzájem." A B B C A C měření teploty Teplota charakterizuje tepelný stav látky (je mírou kinetickou energie částic)

16 Termodynamika Teplotní stupnice Celsiova teplotní stupnice (Anders Celsius) 0 ºC dolní základní teplota (teplota směsi voda a tající led za 101,325 kpa 100 ºC horní základní teplota varu vody při 101,325 kpa

17 Teplotní stupnice Fahrenheitova teplotní stupnice (Gabriel Daniel Fahrenheit) 0 ºF základní dolní teplota (teplota směsi led+voda+salmiak, -17,7 ºC) 96 ºF horní základní (teplota zdravého člověka 37 ºC)

18 Teplotní stupnice Absolutní termodynamická stupnice (W. Thompson lord Kelvin of Largs) 0 K dolní základní teplota - zastavení tepelného pohybu (atomy i molekuly v naprostém klidu) 273,15 K horní základní trojný bod vody (0,01 º C a 610 Pa)

19 Teplotní stupnice

20 Teplotní roztažnost

21 Postulát IV 1. věta termodynamická energie nevzniká z ničeho, jedna její forma se může přeměňovat v druhou Homogenníuzavřená soustava "Změna vnitřní energie soustavy (DU) je rovna teplu Q a práci W, kterou soustava přijala nebo odevzdala." vnitřní energiilze změnit pouze dodáním nebo odvedením tepla a nebo dodáním nebo vykonáním práce. Přeměna práce na teplo těmto omezením nepodléhá (viz. II. VTD)

22 Postulát IV 1. věta termodynamická Izolovaná soustava při všech dějích stejná celková energie Slovníformulace 1. věty termodynamiky 1. Není možné sestavit storj, který by konal práci, aniž by se zmenšila jeho energienebo energie jeho okolí tzv. perpetuum mobile I. druhu. 2. Nelze sestrojit perpetuum mobile I. druhu

23 1. věta termodynamiky Entalpie H zjednodušení výpočtůpři izobarických a adiabatických dějích

24 Aplikace1. věty termodynamiky Vnitřní energie Entalpie Mayerův vztah

25 Teplo je energie vyměněnámezisystémem a okolím jako důsledek teplotního rozdílu mezi nimi teplo je energie přenesená z jednoho tělesa na jinou formu neuspořádaného pohybu mikročástic (zpravidladůsledkem rozdílu teplot těles)

26 Měrná tepelná kapacita při konstantním tlaku c p C p teplo, které je nutné dodat jednotkovému množství látky při konstantním tlaku, aby se ohřála o 1 K æ H ö C p = 1 ç n è T ø Měrná tepelná kapacita při konstantním objemu c V C V teplo, které je nutné dodat jednotkovému množství látky při konstantním objemu, aby se ohřála o 1 K C V = 1 n æ ç è U ö T ø V p

27 Děj Izotermický Objemová práce Izobarický Izochorický Adiabatický Poissonova konstanta

28 Pro trvalou přeměnu tepla v mechanickou energii je potřeba tepelného stroje v kterém probíhá kruhový děj. Pro přecházení tepelné energie na mechanickou energii musí mít teplo možnost přecházet z teplějšího tělesa na chladnější těleso (dva tepelné zásobníky o různé teplotě) Práci koná pouze část tepla přijatého do zásobníku. Zbylá část tepla odevzdá pracovní látka chladnějšímu zásobníku. Teplná účinnost je vždy >1

29 Práce je energie, která je přenesena z jednoho tělesa na jiné formou uspořádaného pohybu (zpravidladůsledkem vnější síly působící mezi tělesy)

30 Parní elektrárna

31 2. věta termodynamika Clausiusova formulace "Teplo nemůže samovolně přecházet ze soustavy o nižší teplotě do soustavy o vyšší teplotě." Thomsonova formulace "Nelze sestrojit cyklicky pracující stroj, který by trvale pouze odebíral teplo z tepelného zásobníku a při téže teplotě veškeré toto odebrané teplo měnil na mechanickou energii."

32 Clausiusova formulace "Teplo nemůže samovolně přecházet ze soustavy o nižší teplotě do soustavy o vyšší teplotě." Tepelné čerpadlo aby fungovalo musíme dodat práci zvnějšku. Všechny druhy energie lze převést bez omezení na energii tepelnou, ale tepelnou energii lze na ostatní energie převádět jen s jistými omezeními.

33 Ledničkavs. tepelné čerpadlo

34 Thompsonova formulace "Nelze sestrojit cyklicky pracující stroj, který by trvale pouze odebíral teplo z tepelného zásobníku a při téže teplotě veškeré toto odebrané teplo měnil na mechanickou energii." důležitý poznatek pro konstrukci tepelných strojů nelze veškerou odebranou tepelnou energii beze zbytku přeměnit na práci perpetuum mobile II. druhu

35 2. věta termodynamiky Entropie stavová veličina (extenzivní a aditivní) Vratné a nevratné adiabatické děje

36 Entropie Vratný adiabatický děj při vratném adiabatickém ději se netropie soustavy nemění a zůstává konstantní děj izoentropický

37 Entropie Nevratný adiabatický děj libovolný nevratný děj lze nahradit jedním nebo několika libovolnými vratnými ději

38 Spojení 1. a 2. věty termodynamiky

39 Děj Změna entropie T = konst.

40 Postulát VI 3. termodynamická věta Planckova formulace "Entropie čisté fáze se s klesající teplotou blíží nule." lze spočítat absolutní hodnotu entropie pro prvky i sloučeniny konečným počtem operací nelze schladit látky na teplotu 0 K

41 Volná energie (Helmholtzova energie) A vnitřní energii U je m ožno rozdělit na volnou energii A, kterou soustava může přeměnit na práci a odevzdat do okolí a na vázanou energii TS, ktera je při dané teplotě T vázaná a nevyužitelná

42 Volná entalpie (Gibbsova energie) G entalpii H je možno rozdělit na volnou entalpii G, kterou soustava může přeměnit na práci a odevzdat do okolí a na vázanou energii TS, která je při dané teplotě T vázaná a nevyužitelná.

43 Kritérium uskutečnitelnosti samovolně probíhajícího děje Adiabatickyizolovaná soustava děj bude probíhat samovolně pokud Izotermicko-izochorický děj děj bude probíhat samovolně pokud Izotermický-izobarický děj děj bude probíhat samovolně pokud

44 Termochemie Chemická termodynamika aplikace základních principů termodynamiky v soustavách, v kterých probíhají fyzikální děje (fázové změny...), fyzikálněchemické děje (rozpouštění...) nebo chemické děje (chem. reakce...) 1. Teplo skupenských fázových přeměn (výparné, sublimační, tuhnutí,...) 2. Teplo zřeďovacía rozpouštěcí 3. Teplo při chemických reakcích (reakční teplo...)

45 Termochemie Teplo rozpouštěcí teplo, které soustava vymění s okolím při rozpouštění látky při konstantním tlakua teplotě pro většinu látek tj. přenos tepla z okolí do soustavy (teplo se pohlcuje). Nutno dodat energii pro rozrušení krystalové mřížky a uvolnění částic. pozor NaOH - přenos tepla ze soustavy do kolí teplo se uvolňuje. Solvatace iontů (rozštěpení molekuly rozpouštěné látky molekulamirozpouštědla)

46 Termochemie Teplo zřeďovací teplo, které soustava vymění s okolím při řeění roztoku látky o koncentraci c 1 na koncentraci c 2 při konstatntním tlaku a teplotě. ředění kyselin silně exotermní děj Vždy přidávat kyselinu do vody, nikdy ne obráceně!!!! (Můžeme nalít kyselinu do Vltavy, ale nikdy ne Vltavu do kyseliny)

47 Termochemie

48 Termochemie Většina reakcí probíhá za konst. tlaku v otevřených nádobách. Reakčním teplem je DH (DH = Q) Exotermické reakce DH < 0 Endotermické reakce DH > 0

49 Termochemie 1. termochemický zákon "Reakční entalpie přímé a zpětné reakce jsou až na znaménko stejné." N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) H = 86,3 kj.mol NH 3 (g) N 2 (g) + 3 H 2 (g) H = + 86,3 kj.mol - 1

50 Termochemie 2. termochemický zákon "Reakční entalpie kterékoliv chemické reakce nezávisí na způsobu jejího průběhu, ale pouze na počátečním a konečném stavu soustavy."

51 Termochemie Slučovací teplo DH reakce, jíž vznikl 1 mol sloučeniny přímým sloučením z prvků ve standardních stavech (298,15 K a 101,325 kpa) - C (grafit) a ne diamant. Abychom dostali prvky ve standardním stavu, nebudeme potřebovat žádné teplo. Proto je standardní slučovací teplo prvků v jejich nejstálejší podobě je nulové a totéž platí při všech ostatních teplotách.

52 Termochemie Spalné teplo Spalná teplo je reakční teplo spálené látky v kyslíku Standardní spalné teplo oněch nejstálejších oxidů je také nulové

53 Termochemie Kirchhoffův zákon