Fyzikální chemie 1: Termodynamika Sylabus přednášky

Transkript

1 Fyzkální heme : ermodynamka Sylabus řednášky ohuslav aš Dooručená lteratura: P.W. tkns: Physal Chemstry, Oford Unversty Press W.J. Moore: Fyzkální heme, SNL, Praha Dvořák, rdčka: Základy fyzkální heme, adema, Praha Základní ojmy Hmota (látka) záření množství látky - mol vogadrova konstanta N = 6,3 3 mol - Etenzvní velčny - hmota, objem... Intenzvní velčny - telota, hustota, tlak Molární velčny molární hmotnost molární objem molární konentrae, molalta Energe - shonost konat rá zákon (teorém) zahování hmoty a energe Jednotky energe knetká energe rotační energe otenální energe - výsledek oze Energe ohybu molekul - translae, rotae, vbrae eelná energe Ekvartční rn klaské fyzky: - každý stueň volnost má stejnou střední energ Energe je kvantovaná E h h = 6,65-34 Js je Plankova konstanta, je kmtočet vlnění

2 lastnost lynů Stav látky je defnován jejím fyzkálním vlastnostm Stavová rovne je matematký vztah mez tlakem, telotou, objemem a množstvím n Jednotky tlaku a teloty Standardní hodnoty tlaku a teloty ay-lussaovův zákon = (+5,37/q) bsolutní telota elotní stune se defnuje trojným bodem 73,6 K oylův zákon = konst. ro danou telotu Stavová rovne deálního lynu n R R 8,34 J K mol,8 l atm K mol Knetký model deálního lynu Plyn se skládá z molekul o hmotnost m, a růměru d, které se ohybují náhodně Rozměr molekul je zanedbatelný orot střední dráze mez srážkam Molekuly solu nenteragují, ouze se dokonale ružně srážejí nm, v 3 střední kvadratká ryhlost 3R M 3k m m f ( v) 4 k 3 v mv e k f(v) rozložení ryhlost

3 3k m střední kvadratká ryhlost k 8 m střední ryhlost α = k m nejravděodobnější ryhlost mv m v m 3 k střední energe Mezmolekulové srážky z N N srážková frekvene 3

4 Z z N N hustota srážek - / 8k Z N N hustota srážek - z střední volná dráha 4 Z S N očet nárazů na ovrh stěny Reálné lyny z v R defne komresbltního faktoru z C z v v... vrální rozvoj komresbltního faktoru z oyleova telota telota ř níž = a v b R v van der Waalsova rovne Krtké velčny. ztah mez krtkým velčnam a konstantam a, b van der Waalsovy rovne 4

5 . věta termodynamká du dq dw U q w dw obj et d U je vntřní energe, wobj objemová ráe reverzblní a reverzblní děje stavové funke a nestavové funke du dq ro = konst., nulová eterní ráe H U defne entale H dh dq ro = konst., nulová eterní ráe C U C P H teelné kaaty ř konst objemu a tlaku, defne ro jakoukolv látku R 5 R = 3 R ro deální lyn 5

6 dw obj et d objemová ráe ř reverzblním děj d w obj d objemová ráe ř reverzblním děj (et = ) eanze a komrese deálního lynu: konst. zotermká konst., adabatká ermoheme entale (telo) tání, varu, sublmae entale (telo) tuhnutí, kondenzae entale (telo) reakční, slučovaí, salná H ( ) H ( ) C,. d C, rod d závslost reakčního tela na telotě - Krhhoffova rovne: výh l H reakč jh j, Hessův zákon j sluč 6

7 Některé teelné kaaty: v [J K - mol - ] [J K - mol - ] r,48,79 He,48,79 N,74 9, CO 8,46 37, H O(l) 75,9 H O(g) 33,5 g 5,35 C(damant) 6,3 Problém teelnýh kaat víeatomovýh lynů řsěl ke vznku kvantové fyzky Entroe dq ds rev defne entroe systému dq ds defne entroe okolí. věta termodynamká Entroe zolovanýh systémů narůstá, jestlže v nh robíhají sontánní (reverzbln, nevratné) roesy dq ds Clausova nerovnost, > sontánní, = rovnováha Je-l S = S(,), ak: ds C d d Je-l S = S(,), ak: ds C d d 7

8 eelné stroje, teelná čeradla wma q h h Carnotova účnnost teelného stroje ε = q h w ma = h h Ideální účnnost teelného čeradla U S defne Helmholtzovy energe H S defne bbsovy energe d děje za konst. objemu a teloty (< sontánní, = rovnováha): d děje za konst. tlaku a teloty (< sontánní, = rovnováha): du ds d sojená. a. věta termodynamká U termodynamká stavová rovne 8

9 Dferenální vztahy: du ds d d Sd d dh ds d d Sd d Mawellovy rovne: S S S S S S Další vztahy: H S H S U S U S S S H závslost bbsovy energe na telotě, bbsova-helmholtzova rovne závslost bbsovy energe na tlaku n, g defne hemkého otenálu čsté látky 9

10 R ln hemký otenál m deálního lynu, = 35 Pa, standardní tlak f R ln, f defne fugaty f reálného lynu g fugatní koefent ln z d výočet fugatního koefentu reálného lynu Fázové změny čstýh látek Fáze je forma látky, která je v určté část rostoru homogenn, jak v hemkém složení, tak ve fyzkálníh vlastnosteh Fázové rozhran je hrane v rostoru rozdělujíí dvě fáze Podmínka rovnováhy: Chemký otenál každé látky je stejný ve všeh částeh systému, nezávsle na tom, z kolka částí se skládá f v s bbsův zákon fází f očet fází, v očet stuňů volnost, s očet složek Rovnováha mez dvěma fázem d h d v Claeyronova rovne h ln v zntegrovaná

11 Rovnováha kondenzovaná fáze - lyn d ln h d R Claususova-Claeyronova rovne h ln R zntegrovaná obsah vodní áry ve vzduhu relatvní vlhkost a její závslost na telotě Směs arální molární velčny n n n,, j arální molární objem n n elkový objem n n n,, j hemký otenál složek směs Platí: d d Sdt d n

12 Chemký otenál kaalnýh směsí R ln vztahuje se k čsté láte deální roztok - Raoultův zákon K zředěný roztok - Henryho zákon Kolgatvní vlastnost roztoků zvýšení bodu varu: ln h R vý, R M m. hvý, snížení bodu tuhnutí: htání, ln R R M m. htání, htání, ln R rozustnost R osmotký tlak, van t Hoffova rovne Fyzologké hodnoty osmolarty: lazma 3-3 mosmol/l, moč 85 mosmol/l

13 3 ar směs kaaln,, y y, ) ( ) ( y destlae, rektfkae, fázové dagramy -, -, azeotroké směs, destlae vodní árou ktvta a, defne: lynná směs roztok směšovaí bbsova funke ro hemkou reake : m ) ( R ln d d a R ln f a,, m m m m a )) )ln( ( ) ln( ( )) ln( ) ln( ( m nr nr

14 v mnmu: R ln Chemké rovnováhy Reakční bsova energe - defne: r, Platí: r r R ln Q, Q a J J J Změna standardní bbsovy energe r yočte se třeba jako: r rodukty sluč výh. látky sluč rovnováze je r Proto: r R ln Q rovn r R ln K 4

15 nebol: r R ln K d ln K d H R Závslost rovnovážné konstanty na telotě (van t Hoffova rovne) Rovnovážná konstanta na tlaku nezávsí, na tlaku však může u lynnýh reakí závset rovnovážné složení ýočet rovnovážného složení reakční směs Homogenní a heterogenní hemké rovnováhy 5

16 ransortní děje J d D. Fkův zákon dfuzní transort je úměrný gradentu d konentrae, D dfuzní koefent J v ransort konvekí s ryhlostí v J ue ransort elektromgraí s mobltou u, E ntezta elektrkého ole Dfuzní rovne d D t d taky. Fkův zákon rozložení konentrae v závslost na souřadn a čase Povrhové naětí dw ds koefent ovrhového naětí hg r kalární elevae vzlínání 6