Chemia fizyczna

1. Przedmiot Chemia fizyczna Cel: wyjaśnienie w sposób ilościowy zarówno właściwości jak i przemian fizycznych i chemicznych substancji w różnych warunkach zewnętrznych

2. Przedmiot Chemia fizyczna Sposoby wyjaśniania: Molekularny (teoria molekularna): oparty na mechanice kwantowej, która zajmuje się badaniem struktury mikroskopowej materii w powiązaniu z właściwościami atomów i cząsteczek Termodynamiczny: oparty na badaniu relacji pomiędzy właściwościami makroskopowymi, bezpośrednio mierzalnymi i ich wyjaśnianiu na podstawie efektów energetycznych towarzyszącym przemianom

3. Przedmiot Termodynamika fenomenologiczna termo- <gr. thermós = ciepły, gorący> dynamika <gr. dynamikós = mający siłę, silny> fenomenologia <gr. phainómenon = zjawisko> postuluje badanie istoty zjawisk, a nie samych konkretnych zjawisk

4. Przedmiot Zasady termodynamiki to aksjomaty na których opiera się termodynamika • Zasady wynikają z uogólnienia obserwacji • Z zasad, drogą logicznego rozumowania, wyprowadza się prawa i zależności, które konfrontuje się z wynikami doświadczeń

5. Przedmiot Kolejność logiczna Zasady termodynamiki rozumowanie Wnioski Wyniki doświadczenia (dane) konfrontacja Informacja

6. Pojęcia podstawowe Układ • przestrzeń, w której zachodzi rozważany proces wraz ze znajdującymi się tam substancjami Otoczenie - wszystko to, co znajduje się poza układem

7. Pojęcia podstawowe Parametry stanu układu • zmienne, określające jego stan, np. temperatura T, ciśnienie p, objętość V, skład • Parametry lub funkcje intensywne • nie zależą od masy układu (np. temperatura, stężenie) • Parametry lub funkcje ekstensywne • - są proporcjonalne do masy układu (np. objętość, ilość danego składnika)

8. Pojęcia podstawowe masa Otoczenie Układ OTWARTY energia energia Układ ZAMKNIĘTY Otoczenie Układ IZOLOWANY Otoczenie Typy układów

9. Pojęcia podstawowe Ciepło (Q) W fizyce i termodynamice ciepło jest sposobem przenoszenia energii związanym z różnicą temperatury. Energia (jako ciepło) przepływa od ciała mającego wyższą temperaturę do zimniejszego. Przenoszenie energii na sposób ciepła polega na przekazywaniu jej za pośrednictwem ruchów termicznych cząstek. Ruch ten ma charakter mikroskopowy. Widzimy jego skutki, jego samego nie.

10. Pojęcia podstawowe Praca (W) Termin „praca” odnosi się do sposobu przenoszenia energii związanego ze zmianami makroskopowych zmiennych fizycznych. Przykład: praca zmiany objętości układu Wel = –pexdV (pex= const)  (W = –pexΔV) pex – ciśnienie zewnętrzne

11. Pojęcia podstawowe Ciepło i praca Przekazywanie energii jako ciepła Przekazywanie energii jako pracy

12. I zasada termodynamiki Jak wykazano, że ciepło i praca są sposobami przekazywania energii?

13. I zasada termodynamiki Średniowieczny zamek w Malborku

14. I zasada termodynamiki Działa z XVI wieku

15. I zasada termodynamiki Rozwój sztuki fortyfikacyjnej • Zamość wg Brauna, 1617 r. Jasna Góra, Bastion Św. Rocha 

16. I zasada termodynamiki Benjamin Thompson hrabia von Rumford (1753-1814)    

17. I zasada termodynamiki Urządzenie do gotowania wody 1. lufa armatnia 2. tępe wiertło 3. dwa konie 4. 19 funtów zimnej wody

18. I zasada termodynamiki Urządzenie Rumforda (1798 r.) do wytwarzania ciepła, oparte na założeniu, że tarcie wytwarza ciepło zwiększając szybkość poruszania się molekuł

19. It would be difficult to describe the surprise and astonishment expressed on the countenances of the bystanders on seeing so large a quantity of cold water heated, and actually made to boil, without any fire.

20. I zasada termodynamiki Julius Robert von Mayer (1814-1878) „Fale podczas sztormu cieplejsze niż spokojne morze” (1841)

21. I zasada termodynamiki Wniosek Mayera (1842) „Opuszczenie określonej masy z wysokości około 365 m odpowiada ogrzaniu równej jej masy wody od 0o do 1oC” „Bemerkungen über die Kräfte der unbelebten Natur” J. LIEBIGs Annalen der Chemie und Pharmacie 31.5.1842

22. I zasada termodynamiki James Prescott Joule (1818-1889)

23. I zasada termodynamiki Doświadczenie Joule’a (1845)

24. I zasada termodynamiki Mechaniczny równoważnik ciepła • Mechaniczny równoważnik ciepła: • 4,41 J/cal (1845) • 4,159 J/cal (1850) • ... • 4,1855 J/cal • (14,5 – 15,5 oC) • 1 cal = 4,1868 J „kaloria międzynarodowa” (1929 r.) • 1 cal = 4.184 J „kaloria termochemiczna” • J.P. Joule ”The Mechanical Equivalent of Heat”(1843 r.)

25. I zasada termodynamiki Wniosek z doświadczenia Joule’a Ilość pracy koniecznej do przeprowadzenia układu termicznie izolowanego z jednego stanu równowagi do drugiego nie zależy ani od źródła pracy, ani od drogi przemiany, oraz jest proporcjonalna do ilości substancji w układzie.

26. I zasada termodynamiki I zasada termodynamiki Energia wewnętrzna układu izolowanego jest stała U = const Hermann von Helmholtz (1821-1894)

27. I zasada termodynamiki Energia wewnętrzna układu = suma wszystkich rodzajów energii danego układu Energia wewnętrzna = = Energia translacji molekuł + + Energia oscylacji + + Energia rotacji + + Energia elektronów + + Energia oddziaływań międzycząsteczkowych + + ...

28. I zasada termodynamiki Perpetuum mobile jest niemożliwe Nie da się bez końca „wyciągać” energii z układu

29. I zasada termodynamiki I zasada dla układu zamkniętego U = Q + W U– zmiana energii wewnętrznej Q– ciepło wymienione z otoczeniem W – praca wymieniona z otoczeniem

30. I zasada termodynamiki Energia wewnętrzna jako funkcja stanu Funkcja stanu – funkcja, której wartość jest jednoznacznie określona poprzez wartości parametrów stanu. Zmiany funkcji stanu są równe różnicy jej wartości w stanach końcowym i początkowym układu ΔU = U2–U1. Układ można przeprowadzić z jednego stanu w drugi różnymi drogami (na różne sposoby).

31. I zasada termodynamiki I zasada dla układu zamkniętego (postać różniczkowa) dU = Qel + Wel dU– zmiana energii wewnętrznej Qel– ciepło elementarne Wel– praca elementarna

32. I zasada termodynamiki Praca objętościowa gdzie: pex – ciśnienie zewnętrzne pex = const  W = –pexΔV gdzie: ΔV = Vf–Vi

33. I zasada termodynamiki Procesy odwracalne i nieodwracalne Rozprężamy gaz doskonały od ciśnienia pi do pf w warunkach izotermicznych (T = const). W zależności od drogi procesu, praca wykonana przez gaz będzie różna.

34. I zasada termodynamiki Procesy odwracalne i nieodwracalne pex – ciśnienie zewnętrzne Proces odwracalny – układ przechodzi przez szereg stanów równowagi w taki sposób, że cały czas p = pex (pex zmienia się stopniowo):

35. I zasada termodynamiki Procesy odwracalne i nieodwracalne Proces odwracalny (p = pex) (Pole pod zieloną krzywą)

36. I zasada termodynamiki Procesy odwracalne i nieodwracalne Proces nieodwracalny (p > pex) gdzie: ΔV = Vf–Vi (Pole pomarańczowe)

37. I zasada termodynamiki Procesy odwracalne i nieodwracalne Wniosek: Praca wykonana w sposób odwracalny jest większa od pracy wykonanej w sposób nieodwracalny.

38. I zasada termodynamiki Praca zależy od drogi przemiany

39. Entalpia Zmiany U przy V = const dU = Qel + Wel(I zasada) założenie: Wel = –pdV konsekwencje dla V =const: Wel = 0 dU = Qel Wniosek: zmiana energii wewnętrznej w warunkach izochorycznych jest równa ciepłu przemiany

40. Entalpia Duża część procesów w przyrodzie i w laboratorium zachodzi nie w warunkach izochorycznych (V = const) ale izobarycznych (p = const)

41. Entalpia Zadanie Chcemy stworzyć taką funkcję stanu, której zmiany w warunkach izobarycznych będą równe ciepłu wymienionemu przez układ z otoczeniem

42. Entalpia Entalpia Zdefiniujmy funkcję: H = U + pV H – entalpia (z greckiego „enthalpos” (ενθαλπος) = „wprowadzać ciepło”  „rozgrzewać”; termin stworzył Heike Kammerlingh Onnes)

43. Entalpia Entalpia H = U + pV • dH = dU + pdV + Vdp  dU = dH – pdV – Vdp (1) I zasada, gdy Wel = –pdV   dU = Qel – pdV (2) • i (2) dH – pdV – Vdp = Qel – pdV • dH – Vdp = Qel • p = const  dH = Qel • (pamiętamy, że V = const  dU = Qel)

44. Pojemność cieplna Pojemność cieplna Izochoryczna pojemność cieplna: CV = (U/T)V Izobaryczna pojemność cieplna: Cp = (H/T)p „Ile energii w postaci ciepła trzeba doprowadzić do układu aby go ogrzać o 1 K” Cp  CV

45. Pojemność cieplna Izobaryczna właściwa pojemność cieplna ciekłej wody pod ciśnieniem atmosferycznym

46. Procesy samorzutne i wymuszone Kiedy proces zachodzi samorzutnie? W układzie izolowanym: U = const. W układzie tym mogą zachodzić procesy samorzutne. Zatem nie dU decyduje o samo- rzutności procesu. Przykład 1: rozprężanie gazu

47. Procesy samorzutne i wymuszone Kiedy proces zachodzi samorzutnie? Przykład 2: z życia zwierząt U = const dU = 0

48. Procesy samorzutne i wymuszone To był tylko przykład...

49. Procesy samorzutne i wymuszone Kiedy proces zachodzi samorzutnie? Zdefiniujmy funkcję termodynamiczną, której zmiany w procesie odwracalnym dane są wzorem: dS Qel/T S – entropia Entropia (z greckiego εντροπία ) = „zwrot w stronę” εν „w” + τροπή „zwrot”

50. Procesy samorzutne i wymuszone Entropia Rozważmy układ – wodę z lodem (napój) i otoczenie – dużą salę kawiarni. Tukł = 273,15 K (tukł = 0 oC) Tot = 298,15 K (tot = 25 oC) W trakcie topienia się lodu temperatura wody pozostaje stała. Duża pojemność cieplna sali pozwala przyjąć, że i jej temperatura się nie zmienia, mimo pochłaniania energii (ciepła) przez napój.