Hemijska termodinamika Poglavlje 2.1 Osnovni pojmovi Termodinamički sistem Termodinamičke osobine Stanje sistema Parametri stanja Termodinamička ravnoteža Termodinamički proces Energija Rad Toplota Prvi zakon termodinamike – Zakon o održanju energije
30
Embed
Termodinamički sistem Termodinamičke osobine Stanje ... · Hemijska termodinamika Poglavlje 2.1 Osnovnipojmovi Termodinamički sistem Termodinamičke osobine Stanje sistema Parametri
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Hemijska termodinamika
Poglavlje 2.1
Osnovni pojmovi
Termodinamički sistem
Termodinamičke osobine
Stanje sistema
Parametri stanja
Termodinamička ravnoteža
Termodinamički proces
Energija Rad Toplota
Prvi zakon termodinamike – Zakon o održanju energije
Termodinamika: ispituje stanja materije preko energetskih
veličina kao i energetske promene koje prate univerzalne
procese u prirodi i vezu tih promena sa osobinama materije
koja učestvuje u ovim promenama.
Termodinamika se bazira na dva fundamentalna zakona-
I i II zakonu, koji sumiraju ljudsko iskustvo pri konverziji
različitih oblika energije.
Primenom relativno jednostavnih pretpostavki i definicija
kao i dobro postavljenih matematičkih postupaka mogu se
razmatrati veoma složeni sistemi i procesi koji se svode na
relativno jednostavne probleme. Na taj način se može doći do
rezultata od bitnog značaja pre svega za prirodne nauke:
hemiju, fiziku, fizičku hemiju i biologiju kao i za tehničke
nauke i brojne specijalizovane oblasti. Sistematizovanjem
eksperimentalnih podataka može se predvideti principijelna
mogućnost za odigravanje nekog procesa.
Primena:
U fundamentalnim naukama razmatranje energestkih
promena u najrazličitijim sistemima i procesima. Tako u
hemiji je na primer od značaja da se odrede egzaktni uslovi
za spontanost hemijskih reakcija i za uspostavljanje
hemijske ravnoteže.
U primenjenim naukama razmatranje
zagrevanja i hlañenja zgrada, efikasnot
mašina, rad baterija, prenos energije u
biološkim sistemima, izolatori, provodnici
itd.
Nedostaci:
•ne razmatra se struktura sistema niti mehanizam procesa
•ne razmatra se brzina procesa jer vreme nije termodinamička
promenljiva
Termodinamika: Proučava put i način promene energije
gde se termo odnosi na toplotu a dinamika na put
promene
(a) održanje energije
(b) pravac promene i molekulsku stabilnost
Termodinamički pojmovi
Termodinamički sistem i okolina
Sistem: deo sveta-makroskopski objekt, koji je izabran za termodinamičko razmatranje. Uže govoreći sistem je odreñena količina (ili količine) neke supstancije (ilisupstancija) koja nas interesuje. Sistem može biti reakcionicilindar, neka mašina, elektrohemijska ćelija, živa ćelija...
Okolina : sve van sistema je okolina (merenja vršimo u okolini)
Definicija sistema zavisi od granica koje odvajaju sistem odokoline- tj. da li se energija i masa mogu razmenjivati krozgranice sistema
Homogen sistem: skroz uniforman po svojim fizičkim i hemijskim
osobinama tj. kada su mu sve osobine iste u svim delovima ili se
kontinuirano menjaju od tačke do tačke
Heterogen sistem: osobine se menjaju od tačke do tačke
Otvoren: postoji razmena mase i energije iz
sistema prema okolini ili od okoline prema sistemu
Zatvoren : kada u toku neke promene stanja u
sistemu nema razmene supstancije sa okolinom,
tj. masa je konstantna, a dolazi samo da razmene
energije sa okolinom
Izolovan sistem : kada nema mehaničkog i termičkog kontakta
izmeñu zatvorenog sistema i okoline, što znači da nema razmene ni
mase ni energije izmeñu sistema i okoline kroz granice sistema
provodljivost zavisi od temperature, površine i dužine
provodnika.
Julius Robert von Mayer (1814-1878)
Majer je bio sin apotekara a studije medicine
završio 1832. na Univerzitetu u Tibungenu.
Putovao je kao brodski lekar od Roterdama
do Jave. Bavio se preračunom količine
energije oslobodjene sagorevanjem hrane.
Tako je prvi izračunao mehanički
ekvivalent toplote, J=w/q (3,56J/cal).
Mada je njegov rezltat objavljen pet
godina pre Džulovog, Džul je proglasio da je
Majerov rezultat ništa drugo do
neosnovana hipoteza. Majer je takoñe utvrdio da je “vitalni
hemijski proces” neophodan izvor energije živih organizama.
Majer je pokušao samoubistvo i kraj života proveo u psihijatrijskoj
ustanovi.
James Prescott Joule(1818-1889)
Roñen u Salfordu, Engleska, učio kod kuće a od 14 godina
jednom nedeljno pohañao časove hemije kod Daltona.
Od 1838. počeo da izvodi eksperimente, a te godine objavio
prvi rad. Pokazao da je osloboñena toplota pri prolasku
struje kroz provodnik . .2RtIQ =
U dugoj seriji vrlo brižljivih eksperimenata,
Džul je nastavio da meri pretvaranje rada u
toplotu na različite načine: indukovanjem
električne struje u namotaju žice koji rotira
izmeñu polova magneta, sabijanjem ili
širenjem vazduha, teranjem tečnosti kroz
fine kapilare ili rotacijom lopatica u vodi i
živi.
Mehanički ekvivalent toplote predstavlja
konačan i konstantan odnos izmeñu izvršenog mehaničkog
rada i prouzvedene toplote koji iznosi 4,1860 J/cal.
Toplotni ekvivalent mehaničkog rada je odnos
izmeñu utrošene toplote i izvršenog rada i iznosi
0,2389 cal/J
Na osnovu Majerovog teorijskog rada i Džulovog
eksperimentalnog došlo se do zaključka da postoji
ekvivalentnost izmeñu utrošenog rada, bez obzira na
njegovo poreklo i osloboñene toplote.
Majer: Da bi se podigao teg od 1 g na visinu od 365m potrebno je:
Toplota potrebna da se 1g vode podigne temperatura od 0o do 1oC potrebno je:
Jmsmkgmghw 58,3365/81,9101 23=⋅⋅⋅==
−
calJcal
J
q
wJ
calKggKcalTCq
MET /55,30087,1
58,3
0087,111/0087,1
===
=⋅⋅=∆⋅=
U vreme Džula i Majera, veliki broj naučnika se
bavio i pokušajima stvaranja energije odreñene
vrste bez utroška ekvivalentne količine energije
druge vrste. Takva mašina koja bi proizvodila
mehanički rad neprekidno, bez utroška energije iz
nekog spoljašnjeg izvora predstavlja tzv.
perpetuum mobile I vrste. Praksa je pokazala,
naravno, da je nemoguće stvoriti takvu mašinu.
Perpetuum mobile I vrste
1847. Helmholc (H. Helmholtz, 1821−1894) je
pokazao da su nemogućnost perpetuum mobila I
vrste i ekvivalentnost mehaničkog rada i toplote
samo aspekti jedne opšte generalizacije zakona o
održanju energije koja je postala poznata kao
I zakon termodinamike.
Helmholc je takoñe, ovaj zakon postavio na bolju
matematičku osnovu. Ovo je jedan od
fundamentalnih zakona, primenljiv na sve prirodne
pojave, od koga nema izuzetaka.
I zakon termodinamike
Hermann Ludwig Ferdinand von
Helmholtz
Хелмхолц је завршиомедицину и прво радиокао хирург, после чеганаставља својуакадемску каријеру каопрофесор физиологијеу Кенигсбергу, Бону иХајделбергу, а затим досвоје смрти 1894. уБерлину у Институту зафизику.
1821-1894
Хелмхолц је био ментор или је
сарађивао са многим касније такође
признатим научницима међу којима
су били Макс Планк, Хенрих Кајзер,
Еуген Голдштајн, Хенри Роуланд,
Алберт Мајкелсон, Хенрих Херц,
Вилхелм Вин и наравно наш
Михајло Пупин.
Хелмхолцови изуми
• Током бављења
физиолошким
проблемима изумео је
1851. офталмоскоп и
развио математичку
теорију овог и данас
значајног инструмента.
• Неколико следећих година
се бави развојем торије
вида и звука у оквиру тога
је изумео резонатор
У периоду 1880. враћа се
термодинамици и 1882. прави разлику
између »везане« и »слободне« енергије
уводећи нову термодинамичку функцију
која је постала позната као Хелмхолцова
слободна енергија или функција рада.
Такође је извео једначину познату као
»Gibbs-Helmholtz-ова« једначина, у чијој
поставци Гибс није учествовао
Energija se ne može stvoriti ili uništiti ali se može
prevoditi iz jednog oblika u drugi.
Kada je količina jedne vrste energije stvorena, tačno
ekvivalentna količina druge vrste ili vrsta mora biti
utrošena. Stoga ukupna energija nekog izolovanog
sistema mora ostati konstantna, mada energija može
prelaziti iz jednog oblika u drugi. Ovo je postulat koji
se ne dokazuje matematički, ali iskustvo potvrñuje
da je ispravan.
I zakon termodinamike
I zakon termodinamike
Jednačina je matematički izraz
I zakona termodinamike prema kome je:
(a) Toplota i rad su ekvivalentni oblici energije i
predstavljaju samo način promene unutrašnje
energijeAko se zatvoren sistem menja iz stanja 1 u 2 i ako je jedina
interakcija sistema sa okolinom u obliku prenošenja toplote
q na sistem ili rada w na sistem, tada je promena
unutrašnje energije sistema:
∆∆∆∆U = U2 −−−− U1 = q + w
Prema ovoj jednačini je promena u unutrašnjoj energiji
zatvorenog sistema jednaka energiji koja prolazi kroz