Chemia fizyczna - wykład 1
Transkrypt
Chemia fizyczna - wykład 1
Wykład 1 Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Chemia fizyczna - wykład 1 Anna Ptaszek Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego 5 października 2015 1 / 36 Podstawowe pojęcia Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Układ termodynamiczny To zbiór niezależnych elementów, które oddziałują ze sobą tworząc integralną część świata fizycznego. OTOCZENIE UK AD PRZEGRODA 2 / 36 Podstawowe pojęcia Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Podstawowe parametry termodynamiczne, które opisują stan układu intensywne: T - temperatura, p - ciśnienie, c - stężenie, ρ - gęstość, v - objętość właściwa, x -ułamek molowy. ekstensywne: V - objętość układu, n - liczba moli, m - masa. 3 / 36 Podstawowe pojęcia Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Faza to wydzielona widocznymi granicami (powierzchnią fazową) jednolita fizycznie i chemicznie część układu. Stany skupienia materii: gazowy, ciekły, stały i plazma. Płyny to ciecze i gazy. 4 / 36 Właściwości płynów Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Równanie stanu płynu jednoznacznie opisuje stan płynu (gazu lub cieczy) za pomocą termodynamicznych parametrów stanu dla płynów: doskonałych (idealnych), w których nie ma oddziaływań pomiędzy cząsteczkami, a zderzenia są sprężyste (a więc bez straty energii) niedoskonałych (rzeczywistych), czyli w zasadzie wszystkich znanych nam płynów, w których cząsteczki mogą się odpychać lub przyciągać, a zderzenia pomiędzy nimi powodują rozproszenie energii 5 / 36 Właściwości płynów Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Płyny doskonałe opisuje następujące równanie Clausiusa-Clapeyrona: p·V =n·R ·T V - objętość płynu, m3 n - liczba moli, mol p·v =R ·T v - objętość właściwa, m3 mol 6 / 36 Właściwości płynów Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek T4 T3 T2 T1 obj to cieczy = obj to pary v 7 / 36 Właściwości płynów Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Zastosowanie równania Clausiusa-Clapeyrona: pierwsze przybliżenie gęstości gazu o pewnym znanym ciśnieniu p, pod określoną temperaturą T v= R ·T p ρ= M - masa molowa gazu, M v kg mol 8 / 36 Właściwości płynów Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Przykład: obliczyć gęstość pary wodnej w 20o C i 100o C i porównać z danymi tabelarycznymi. Rozwiązanie Ciśnienie pary wodnej w 20o C wynosi 2370Pa a w 100o C 100000Pa. Wiedząc, że masa molowa wody wynosi kg g = 0, 018 mol otrzymujemy: M = 18 mol v20o C = R ·T 8, 314 · (20 + 273) m3 = = 1, 028 p 2370 mol ρ20o C = v100o C = M 0, 018 kg = = 0, 018 3 v 1, 028 m R ·T 8, 314 · (100 + 273) m3 = = 0, 031 p 100000 mol ρ100o C = M 0, 018 kg = = 0, 581 3 v 0, 031 m 9 / 36 Właściwości płynów Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Zestawienie danych doświadczalnych ρ i obliczonych w przykładzie ρobl T, o C 20 100 ρ, kg /m3 0,0215 0,6337 ρobl , kg /m3 0,018 0,581 W wyniku oddziaływań, cząsteczki wody zajmują mniejszą objętość niż wynika to z równania stanu gazu doskonałego. Z tego powodu gęstość obliczeniowa jest mniejsza niż wyznaczona doświadczalnie. 10 / 36 Właściwości płynów Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Dobry opis stanu gazu rzeczywistego wymaga wprowadzenia poprawek, które opisują oddziaływania pomiędzy cząsteczkami. p·v =z ·R ·T z - współczynnik ściśliwości 11 / 36 Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek równanie van der Waalsa: a p+ 2 v · (v − b) = R · T a- stała uwzględniająca oddziaływania pomiędzy cząsteczkami, b- stała charakterystyczna dla danego gazu. 12 / 36 Właściwości płynów Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek v vG vC obj to cieczy obj to pary 13 / 36 Właściwości płynów Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Wirialne równanie stanu: p·v =R ·T 1+ drugi wspó czynnik wirialu A B + 2 + ... v v trzeci wspó czynnik wirialu 14 / 36 Funkcje termodynamiczne Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Energia Trzeba sobie uświadomić fakt, że nadal nie potrafimy zdefiniować energii. (Richard Feynman) Rodzaje energii wewnętrzna, kinetyczna, potencjalna, magnetyczna, elektryczna, nuklearna... Energia może być wymieniana na sposób pracy lub ciepła. 15 / 36 Funkcje termodynamiczne Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Układ może wykonywać pracę objętościową w warunkach stałego ciśnienia. V1 V2 16 / 36 Funkcje termodynamiczne Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Ciepło może być pobrane z otoczenia lub do niego odprowadzone. To Ts To>Ts To Ts To<Ts 17 / 36 Funkcje termodynamiczne Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Układ może być otwarty lub zamknięty. MASA E N E R G I A E N E R G I A 18 / 36 Funkcje termodynamiczne Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Podstawowe funkcje termodynamiczne entalpia, ∆H, ∆H = ∆U + ∆(p· V ) entropia, ∆S energia Gibbsa, ∆G 19 / 36 Funkcje termodynamiczne Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Entropia i chaos Entropia to miara nieuporządkowania układu (chaos). Entropia każdego układu rośnie. 20 / 36 Funkcje termodynamiczne Chemia fizyczna wykład 1 Przykład: entropia układu i otoczenia Anna Ptaszek U K A D O T O C Z E N I E 21 / 36 Funkcje termodynamiczne Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Dlaczego entalpia jest tak ważna? Entalpia określa ilość energii jaka może być wymieniona na sposób: pracy, lub ciepła, lub pracy i ciepła. 22 / 36 Funkcje termodynamiczne Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Przykład: parowanie cieczy ogrzewanie cieczy, częściowe odparowanie wrzenie, parowanie z całej objętości T czas 23 / 36 Funkcje termodynamiczne Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Przykład: parowanie wody grzanie ⇐⇒ wzrost temperatury wrzenie ⇐⇒ przemiana fazowa ⇐⇒ praca objętościowa ciecz para ciecz para T, o C 20 20 100 100 ρ, kg /m3 998.2 0.0215 958.4 0.6337 v, m3 /kg 0.0010 46.52 0.0010 1.725 24 / 36 Funkcje termodynamiczne Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Ciepło parowania r. T, o C 10 20 50 100 Hciecz , kJ/kg 51.6 87.1 212.3 426.5 Hgaz , kJ/kg 2524.2 2538.9 2592.9 2678.7 r =∆H, kJ/kg 2470.6 2451.8 2380.6 2252.2 25 / 36 Funkcje termodynamiczne Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek r - entalpia parowania, kJ kg Ilość energii potrzebna do odparowania 1kg cieczy pod stałym ciśnieniem. cp - ciepło właściwe, kJ kg ·K Ilość energii potrzebna do ogrzania 1kg substancji o 1K. 26 / 36 Funkcje termodynamiczne Chemia fizyczna wykład 1 ciepło parowania wybranych cieczy - zależność temperaturowa Anna Ptaszek 27 / 36 Reguła faz Gibbsa Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Reguła faz lub reguła faz Gibbsa s =α−β+2 s – liczba stopni swobody, czyli liczba zmiennych intensywnych, które można zmieniać bez jakościowej zmiany układu (bez zmiany liczby faz w równowadze), α – liczba niezależnych składników, a więc takich, które nie dają się określić za pomocą zależności stechiometrycznych poprzez stężenia innych składników (niezależnych), β – liczba faz, a więc postaci materii jednorodnej chemicznie i fizycznie. 28 / 36 Reguła faz Gibbsa Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Jakich układów dotyczy równowaga fazowa? Równowaga fazowa dotyczy układów: jednoskładnikowych wieloskładnikowych Warunek równowagi oznacza, że gdy układ znajduje się w stanie równowagi fazowej to potencjały chemiczne każdego składnika są sobie równe we wszystkich fazach. 29 / 36 Reguła faz Gibbsa Chemia fizyczna wykład 1 . punkt krytyczny P Anna Ptaszek (218 atm 374°C) lód 0.06 atm woda ciek a punkt potrójny para wodna 0.01 T 30 / 36 Reguła faz Gibbsa Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Zgodnie z regułą faz Gibbsa ciśnienie p oraz temperatura T jednoznacznie wyznaczają stan takiego układu. Oznacza to, że: 31 / 36 Reguła faz Gibbsa Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Zgodnie z regułą faz Gibbsa ciśnienie p oraz temperatura T jednoznacznie wyznaczają stan takiego układu. Oznacza to, że: znajomość temperatury powoduje, że możemy wyznaczyć ciśnienie 31 / 36 Reguła faz Gibbsa Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Zgodnie z regułą faz Gibbsa ciśnienie p oraz temperatura T jednoznacznie wyznaczają stan takiego układu. Oznacza to, że: znajomość temperatury powoduje, że możemy wyznaczyć ciśnienie znajomość ciśnienia jednoznacznie określa temperaturę. 31 / 36 Reguła faz Gibbsa Chemia fizyczna wykład 1 . P Anna Ptaszek woda ciek a lód 1 atm para wodna 0 0 100 T 32 / 36 Reguła faz Gibbsa . Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek woda ciek 1 atm 0 0 100 33 / 36 Reguła faz Gibbsa Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Równowaga ciecz-para przemiana fazowa (parowanie/skraplanie) zachodzi w stałej temperaturze i pod stałym ciśnieniem. Temperatura wrzenia to taka temperatura, w której prężność (ciśnienie) pary nad cieczą jest równa ciśnieniu otoczenia 34 / 36 Reguła faz Gibbsa Chemia fizyczna wykład 1 p Anna Ptaszek etanol woda ciecz pAtm pnA pnW para To TwA TwW T 35 / 36 Reguła faz Gibbsa Chemia fizyczna wykład 1 Anna Ptaszek Równanie Antoine’a to popularne równanie opisujące zależność prężności pary od temperatury log (p) = A + B C +T (1) 36 / 36