Termodynamika materiálů. Vztahy a přeměny různých druhů energie při termodynamických dějích podmínky nutné pro uskutečnění fázových přeměn

Transkript

1 Termodynamika materiálů Vztahy a přeměny různých druhů energie při termodynamických dějích podmínky nutné pro uskutečnění fázových přeměn

2 Důležité konstanty Standartní podmínky Avogadrovo číslo N A = 6, [mol -1 ] Boltzmanova konstanta k = 1, [J.K -1 ] Planckova konstanta h = 6, [J.s] Molární plynová konstanta R= 8,314 [J. mol -1.K -1 ] Teplota: T = 298,16 K Tlak: p = Pa 10 5 Pa

3 Termodynamická soustava a) Otevřená b) Uzavřená c) Izolovaná

4 Fázové pravidlo = Gibbsův zákon v f k 2 v počet stupňů volnosti f počet fází k počet složek 2 vnější nezávisle proměnné veličiny (teplota, tlak)

5 Termodynamický stav látky Rovnovážný nemůže probíhat žádný jev (přeměna hmoty, energie) stav, ke kterému děje směřují (přenos tepla z jednoho tělesa na druhé) Nerovnovážný snaha dostat se do rovnováhy

6 Termodynamický stav látky

7 Stavové veličiny Základní stavové veličiny: T, V, p Vypočtené veličiny energetické veličiny stavu Extenzivní = závisejí na množství látky (objem, hmotnost) Intenzivní = nezávisí na množství látky (tlak, teplota, hustota)

8 Termodynamický děj Izotermický T = konst. Izochorický V = konst. Izobarický p = konst. Adiabatický Q = konst., S = konst. Samovolný = uskuteční se při vhodných podmínkách sám Nucený děj = vyvolán umělým technickým zásahem

9 Vratný a nevratný průběh fázové přeměny krystalizace tavení

10 První věta termodynamiky Zákonem o zachování energie pro izolované soustavy zůstává konstantní, může se měnit z jedné formy na druhou Vnitřní energie U = všech vnitřních energií, které látka obsahuje Potenciální energie, energie vnitřních sil a atomů Kinetická energie neuspořádaného pohybu molekul (atomů) látky Energie magnetická a elektrická

11 První věta termodynamiky Změna vnitřní energie izolovaného systému = energii, která překračuje jeho hranice jako teplo nebo jako práce Jestliže soustavě přivedeno teplo vykonala práci du dq - da U = extenzivní veličina, [J], energetická stavová veličina

12 Entalpie H Většina termodynamických dějů ve fyzice a chemii probíhá při atmosferickém tlaku (p=konst., dp=0) du dq - pdv d Q p du d pv du pv dh ** Entalpie H H = extenzivní veličina, [J], energetická stavová veličina, s teplotou

13 Tepelné kapacity kondenzovaných látek Podíl přivedeného tepla a jím vyvolaného přírůstku teploty soustavy dqv U C pro V=konst. z * v d T T V pro p=konst. z ** C p dq d T p H T p C v a C P = extenzivní veličiny, [J.mol -1.K -1 ], závisí na T, p nebo T, V na teplotě

14 Molární tepelná kapacita C v = f(t) Výpočtové teorie Klasická teorie Dulonga a Petita Předpoklad: atomy v krystalické pevné látce kmitají nezávisle na sobě kolem uzlových bodů 3 nezávislé harmonické oscilátory Ē=3.k.T Boltzmanova konstanta Celková energie tepelného pohybu 1mol atomů U=3.N A.k.T=3RT z C v =3.R=25 [J.mol -1.K -1 ] Avogadrovo číslo Plynová konstanta..a z toho plyne?

15 Molární tepelná kapacita C v = f(t) Experimentálně zjištěné hodnoty

16 Molární tepelná kapacita C v = f(t) Výpočtové teorie Einsteinova teorie Předpoklad: Ē se nespojitě zvyšuje s T po kvantech o velikosti h Planckova konstanta klasická frekvence kmitu

17 Molární tepelná kapacita C v = f(t) Výpočtové teorie Debyeova teorie Předpoklad:pevnou látku považuje za spojité elastické těleso (interakce kmitajících atomů), zavedena Debyeova charakteristická teplota.a z toho plyne? Pb 95 K Be 1200 K

18 Molární tepelná kapacita C p = f(t) vztah mezi C V a C p C p > C V Q p T soustavy koná objemovou práci C p C V 2 VmT izobarický součinitel objemové roztažnosti Izotermický součinitel stlačitelnosti V m molární objem T teplota pro Cu

19 Molární tepelná kapacita C p = f(t) a fázové přeměny alotropické přeměny změna skupenství magnetické přeměny

20 Entropie S míra neuspořádanosti elementárních částic uplatnění při výkladu fázových přeměn extenzivní veličina [J.K -1 ] příp. [J.K -1.mol -1 ] ds Q T fázové přeměny z nižšího na vyšší skupenství doprovázeny neuspořádanosti elementárních částic ds dh T

21 Druhá věta termodynamiky Celková entropie = entropie vlastní soustavy + entropie okolí Pro izolovanou soustavu při nevratných přeměnách entropie roste v rovnovážném stavu je maximální při vratné, izobarické a izotermické fázové přeměně dh ds T C T p d T Ani změna entalpie, ani změna entropie neumožňuje určit, jestli fázová přeměna zvýšila nebo snížila svou termodynamickou stabilitu

22 Helmholtzova energie F (volná energie) Gibbsova energie G (volná entalpie) F=U-T.S (T=konst., V=konst.) G=H-T.S (T=konst., p=konst.) všechny symboly se vztahují k soustavě extenzivní veličiny, [J] případně [J.mol -1 ] pokud změna stavu soustavy: df=du-tds (T=konst., V=konst.) dg=dh-tds (T=konst., p=konst.)

23 Helmholtzova energie F (volná energie) Gibbsova energie G (volná entalpie) Kriterium pro samovolnou změnu: TdS du (T=konst., V=konst.) TdS dh (T=konst., p=konst.) df=du-tds (T=konst., V=konst.) dg=dh-tds (T=konst., p=konst.) Kriteria udávající směr samovolných dějů df T,V 0 (<irev, =rev) dg T,p 0 (<irev, =rev)

24 Termodynamická rovnováha přeměn V průběhu samovolné přeměny F, F rovn. =F min df T,V =0 (rovnováha) V průběhu samovolné přeměny G, G rovn. =G min dg T,p =0 (rovnováha)

25 Zapamatujte si: čím je G, tím menší je tendence soustavy k jakékoliv změně, tím je stabilnější v soustavě je termodynamicky nejstabilnější fáze, která má nejnižší G G T klesá s rostoucí teplotou při nízkých teplotách bude stabilnější fáze s pevnější vazbou a těsnějším uspořádáním atomů.a obráceně

26 Změna Gibbsovy energie jednoduchého systému na teplotě a tlaku

27 Teplotní závislost volné entalpie pro čisté železo

28 Volná entalpie a rovnovážné diagramy binárních soustav Podmínka vzájemné mísitelnosti atomů látky A a B G R <G M

29 Volná entalpie a rovnovážné diagramy binárních soustav

30 Volná entalpie a rovnovážné diagramy binárních soustav