, složení soustav 1
, složení soustav 1. Základní pojmy 1.1 Hmota 1.2 Látky 1.3 Pole 1.4 Soustava 1.5 Fáze a fázové přeměny 1.6 Stavové veličiny 1.7 Složka 2. Hmotnost a látkové množství 3. Složení látkových soustav 2
1. Základní pojmy 1.1 Hmota každý hmotný objekt má nejrůznější vlastnosti pro každý hmotný objekt jsou charakteristické 2 vlastnosti setrvačnost schopnost konat práci hmotnost energie setrvačnost schopnost konat práci schopnost setrvávat v okamžitém stavu charakterizující veličina - hmotnost vlastnost, která umožňuje hmotnému objektu samovolně měnit svůj stav i stav objektů, které s ním přicházejí do styku charakterizující vlastnost - energie 3
Formy hmoty Látky a pole Neexistuje látka bez určitého pole ani pole bez látky. Př. Tělesa gravitační pole Elektromagnetické pole elementární hmota fotonů záření fotony mají m 0 = 0 Možnost vzájemného přechodu jedné formy hmoty v druhou. Hmota (m, E) Látky (m 0 > 0) Pole (m 0 = 0) Př. Interakce elektronu a pozitronu (elementární částice) při srážce: přeměna na elektromagnetické pole dva fotony záření γ Atomový výbuch: hmota záření γ 4
1.2 Látky Př. ocelové trubky ocelové kolejnice ocelové plechy 3 různé hmotné objekty tělesa Proč? všechny mají hmotnost a schopnost konat práci?????? 3 různé látky?????? NE pouze jedna látka ocel Proč? 5
Látka Materiální náplň tělesa po abstrahování jeho velikosti a tvaru Při zkoumání látkových vlastností (např. ρ, c p, λ, ) se opomíjí všechno, co závisí na velikosti a tvaru tělesa. Skupenství rozdělení látek podle vnitřního uspořádání 1.3 Pole Tuhé (s) Kapalné (l) Plynné (g) Plazma Forma hmoty, která zprostředkovává vzájemné působení těles Spojitě rozloženo v celém prostoru Není prostorově ohraničeno Př. Gravitační pole Elektromagnetické pole Jaderné pole F m1 m2 = κ gravitační konstanta κ = 6,67.10-11 N.m 2.kg -2 2 r 6
1.4 Soustava Nutno vymezit, co budeme zkoumat a posuzovat Okolí Soustava Hraniční plocha Soustava část prostoru s látkovou náplní oddělená od okolí skutečnými nebo myšlenými stěnami Tyto plochy mají nebo jim přisuzujeme určité vlastnosti. Okolí prostor vně uvažované soustavy Př. Posluchárna se studenty Soustava: posluchárna se studenty Hraniční plochy: Stěny posluchárny Okna Dveře (otevřené) Okolí: vše okolo budova, ulice,. Přisuzované vlastnosti: Nepropustné pro hmotu a energii Propustné pro energii Propustné pro hmotu a energii 7
Př. Student Soustava: student Hraniční plochy: Kůže Nosní dírky Okolí: posluchárna Přisuzované vlastnosti: Propustné pro hmotu i energii Propustné pro hmotu a energii Př. Láhev zpola plná a zpola prázdná Soustava: celá láhev hraniční plochy: stěny lahve (hmotné) Směs vzduchu a vodní páry Voda Soustava: kapalná fáze hraniční plochy: stěny lahve (hmotné) mezifázové rozhraní (myšlená) Soustava: plynná fáze 8
Rozdělení soustav podle vztahu k okolí A. Rozdělení podle vztahu k okolí Izolované soustavy Uzavřené soustavy Otevřené soustavy B. Rozdělení soustav podle míry stejnorodosti Homogenní soustavy Heterogenní soustavy 9
A. Rozdělení soustav podle vztahu k okolí Izolované soustavy - soustava nevyměňuje s okolím ani energii ani hmotu Př. zavřená mrazící taška Př. zavřená termoska s horkým čajem Uzavřené soustavy - soustava vyměňuje s okolím energii, nevyměňuje hmotu Př. hrnec na plotně s pokličkou (Papinův hrnec (dokud nepíská)) Př. uzavřená láhev s minerálkou Otevřené soustavy - soustava vyměňuje s okolím energii i hmotu Př. hrnec na plotně bez pokličky / hrnec na plotně s pokličkou (Papinův hrnec (když píská)) Př. otevřená láhev s minerálkou 10
Př. Lednička Zapnutá lednička Vypnutá lednička Otevřená lednička uzavřená soustava izolovaná soustava otevřená soustava K čemu je toto rozlišování? Př. Nevratnost vratnost děje resp. uskutečnitelnost neuskutečnitelnost děje lze posuzovat podle entropie, ale pouze entropie adiabaticky izolované soustavy. 11
B. Rozdělení soustav podle míry stejnorodosti Homogenní soustavy Heterogenní soustavy - ve všech částech stejné nebo spojitě se měnící - obsahuje plochy na nichž se vlastnosti mění skokem Homogenní soustavy - ve všech částech stejné nebo spojitě se měnící Voda ve sklenici Bojler 12
Heterogenní soustavy - obsahuje plochy na nichž se vlastnosti mění skokem ; tyto plochy se nazývají fázová rozhraní - homogenní části soustavy se nazývají fáze Whisky s ledem 13
1.5 Fáze a fázové přeměny Fáze Homogenní, fyzikálně odlišitelná, oblast v heterogenní soustavě oddělená od ostatních oblastí soustavy fázovým rozhraním. Na fázovém rozhraní se vlastnosti mění skokem. H 2 O led ρ(-20 C) = 920 kg/m 3 c p (-20 C) = 2,135 kj/kg.k voda ρ (20 C) = 998 kg/m 3 c p (20 C) = 4,182 kj/kg.k p = 0,1 MPa pára ρ (100 C) = 0,590 kg/m 3 c p (100 C) = 2,02 kj/kg.k Fázové přeměny Látky mohou vlivem vnějších podmínek měnit svou strukturu. Změny, při kterých dochází ke změně struktury se nazývají fázové přeměny. Př. Tání ledu s l Přeměna grafitu (šesterečná) diamant (kubická) Vypařování vody l g 14
1.6 Stavové veličiny Jak popsat definovanou soustavu? Jak popsat její vlastnosti? Pomocí nějakých veličin veličiny popisující stav soustavy stavové veličiny Rozdělení stavových veličin extenzívní intenzívní - jsou úměrné velikosti soustavy - při dělení na menší podsystémy se hodnota veličin mění Př. objem V, hmotnost m, látkové množství n - nejsou úměrné velikosti soustavy - veličiny, jejichž hodnoty se při dělení na menší podsystémy nemění Př. tlak p, teplota T, složení c i, hustota ρ!!!!! Veličina vzniklá kombinací stavových veličin je opět stavová veličina!!!!! 15
1.7 Složka Složka chemický jedinec přítomný v dané fázi. Př. Voda H 2 O, kyslík O 2, uhlík C, metan CH 4, etanol C 2 H 5 OH, uhličitan vápenatý CaCO 3 voda H 2 O metan CH 4 amoniak NH 3 Vztah mezi počtem fází, počtem složek a počtem stavových veličin Existuje vztah mezi počtem fází f, počtem složek s a počtem stavových veličin v, které jsou potřeba k popisu dané soustavy. Gibbsovo pravidlo fází v = s + 2 - f 16
2. Hmotnost a látkové množství Množství látky lze vyjádřit: hmotností m látkovým množstvím n Hmotnost m Definice: 1 kg je hmotnost mezinárodního prototypu kilogramu, který je uložen u Mezinárodního úřadu pro váhy a míry v Sèvres. Látkové množství n vyjadřuje počet částic 1 mol - takové množství látky, které obsahuje stejný počet částic (např. atomů, molekul, iontů), kolik je obsaženo ve 12 g izotopu uhlíku 12 6C. 1 kmol - takové množství látky, které obsahuje stejný počet částic (např. atomů, molekul, iontů), kolik je obsaženo ve 12 kg izotopu uhlíku 12 6C. 17
Avogadrova konstanta N A udává počet atomů obsažených ve 12 g 12 6C. N A = 6,022.10 23 částic / mol = 6,022.10 26 částic / kmol + NaCl Na + + Cl - 1 kmol NaCl 1 kmol Na + + 1 kmol Cl - 6,022.10 26 částic 6,022.10 26 částic + 6,022.10 26 částic 58,44 kg 22,99 kg + 35,45 kg Molová hmotnost M udává hmotnost jednotkového látkového množství vztah mezi mol. hm. M, hmotností m a látkovým množstvím n g/mol ; kg/kmol M = m n 18
3. Složení látkových soustav Jednou z významných veličin je složení soustavy. Složení soustavy udává, jaké množství kterých složek soustava obsahuje. Čistá látka Směs - v soustavě přítomen pouze jeden druh molekul jeden chemický jedinec, tj. jedna složka. - v soustavě přítomno více druhů molekul více chemických jedinců, tj. více složek. Vyjádření množství složek absolutně - absolutní množství jednotlivých složek (2 kg látky A, 5 kg látky B,..) relativně - relativní množství jednotlivých složek (intenzívní veličina) - podíl jednotlivé složky k : celkovému množství složek : referenční složce (inert) 19
Přehled užívaných koncentrací 1. Hmotnostní koncentrace (hmotnostní podíl) c m i = hmotnost složky i hmotnost celé soustavy = m i Σ m i 1 Σ c m i = 1 2. Objemová koncentrace (objemový podíl) c v i = objem složky i objem celé soustavy = V i Σ V i 1 Σ c v i = 1 3. Molová koncentrace (molový podíl) látkové množství složky i c n i = = látkové množství celé soustavy n i Σ n i 1 Σ c n i = 1 20
4. Hmotnostně objemová koncentrace c mv i = hmotnost složky i objem celé soustavy = m i Σ V i kg/m 3 5. Molově objemová koncentrace c nv i = látkové množství složky i objem celé soustavy = n i Σ V i kmol/m 3 6. Molově hmotnostní koncentrace c nm i = látkové množství složky i hmotnost celé soustavy = n i Σ m i kmol/kg 21
Pozn. c n i - kapalná fáze x i - plynná fáze y i Další typy koncentrací ppm - parts per milion počet částic v množství 10 6 částic počet kg v množství 10 6 kg počet kmol v množství 10 6 kmol ppb - parts per bilion počet částic v množství 10 9 částic počet kg v množství 10 9 kg počet kmol v množství 10 9 kmol Vztažení k referenční složce molalita n k / n rozpouštědlo měrná vlhkost x = m H2O / m suchý vzduch 22
Příklad Molové hmotnosti: M H2O = 18 kg.kmol -1, M NaOH = 40 kg.kmol -1 Při mytí lahví se používá roztok NaOH o koncentraci 0,9 mol. %. Hustota roztoku je 1019,6 kg/m 3. 1) Jaké je hmotnostní, molověobjemové, hmotnostněobjemové a molověhmotnostní složení roztoku (tj. koncentrace složek). 2) Kolik kg vody a kg NaOH je potřeba k přípravě 15 m 3 mycího roztoku. Radek Šulc @ 2008 23