Slajdy duże - Kontakt - Katedra Chemii Fizycznej

Chemia Fizyczna
Technologia Chemiczna II rok
Wykład 1
Kierownik przedmiotu:
Dr hab. inż. Wojciech Chrzanowski
Kontakt,informacja i konsultacje
• Chemia „A”; pokój 307
• Telefon: 347-2769
• E-mail: [email protected]
• tablica ogłoszeń Katedry Chemii Fizycznej
http://www.pg.gda.pl/chem/Dydaktyka/ lub
http://www.pg.gda.pl/chem/Katedry/Fizyczna
• Konsultacje: do uzgodnienia.
Chem. Fiz. TCH II/01
2
Co to jest chemia fizyczna?
Definicja dziedziny nauki
Przedmiot:
Przemiany fizyczne i chemiczne materii (bez wyróżniana jej rodzaju)
i związane z nimi przepływy energii.
Metoda:
Matematyczno-fizyczna, tj. tworzenie modeli teoretycznych w
oparciu o obserwacje doświadczalne. Formułowanie hipotez, teorii
oraz praw natury w odniesieniu do swojego przedmiotu.
Chem. Fiz. TCH II/01
3
Pojęcia podstawowe (1)
Materią jest wszystko, co posiada masę (bezwładność, Newton).
Substancją chemiczną nazwiemy czystą, wyodrębnioną postać materii
(miara ilości substancji, jednostka: mol)
Energia jest to zdolność do wykonania pracy (upr.).
(rodzaje energii, jednostka: dżul, J)
Równoważność materii i energii
E=mc2
W praktyce, efekty relatywistyczne i kwantowe występują tylko w mikroświecie, w skali makroskopowej są one pomijalne.
Chem. Fiz. TCH II/01
4
Pojęcia podstawowe (2)
Energia kinetyczna – energia ruchu:
Ek=½mv2
Energia potencjalna – zależna od położenia:
w polu grawitacyjnym w polu elektrycznym
(ziemskim)
Ep=mgh
Ep=q1q2/(4πε0r)
Chem. Fiz. TCH II/01
5
Pojęcia podstawowe (3)
Modelem teoretycznym jest pewien założony
mechanizm zjawiska lub obraz i zespół właściwości obiektu,
najczęściej uproszczony, starający się zawrzeć najistotniejsze jego
cechy.
Hipotezą jest pewne założenie dotyczące istoty badanego
zjawiska, właściwie próba odgadnięcia modelu w oparciu o znane
dotąd znane pojęcia i prawa.
Teorią nazywamy hipotezę zweryfikowaną w wyniku dalszych
badań, gdy zyskuje ona potwierdzenie i stosuje się do większej
liczby przypadków (obiektów, zjawisk), często pokrewnych.
Chem. Fiz. TCH II/01
6
Pojęcia podstawowe (4)
Prawo natury (prawo fizykochemiczne) to jasno sformułowany
fragment teorii dotyczący jednego konkretnego zjawiska, czyli
powiązania między różnymi, obserwowalnymi wielkościami
uwikłanymi w to zjawisko.
Sformułowanie werbalne:
Prawo Boyle’a-Mariotte’a:
W stałej temperaturze, objętość gazu zmienia się odwrotnie
proporcjonalnie do jego ciśnienia.
Wzór:
dla T = const.
V1 P2
= ; V1P1 = V2P2 = VP = const.
V2 P1
Chem. Fiz. TCH II/01
7
Główne działy:
Termodynamika
Równowagi chemiczne
Równowagi fazowe
Roztwory – charakterystyka termodynamiczna
Elektrochemia: jonika i elektrodyka.
Zjawiska powierzchniowe i koloidy
Kinetyka chemiczna
Podstawy chemii kwantowej.
Chem. Fiz. TCH II/01
8
Wprowadzenie do
termodynamiki
Układ (definicja)
Układ jest to fragment rzeczywistości poddany
obserwacji bądź rozważaniom teoretycznym i
wyodrębniony z niej fizycznie lub umownie
Poza układem istnieje jego otoczenie.
układ + otoczenie = wszechświat
Chem. Fiz. TCH II/01
9
Wprowadzenie do
termodynamiki
Istnieją trzy rodzaje układów:
Otwarte (mogą wymieniać z otoczeniem materię
i energię)
Zamknięte (mogą wymieniać energię, ale nie
materię)
Izolowane (nie wymieniają z otoczeniem ani
materii, ani energii).
Chem. Fiz. TCH II/01
10
Wprowadzenie do
termodynamiki
otwarte
Rodzaje układów:
zamknięte
Chem. Fiz. TCH II/01
izolowane
11
Wprowadzenie do
termodynamiki
Sposoby przekazywania energii:
Na sposób pracy.
Na sposób ciepła (jako ciepło).
Rodzaje pracy
Mechaniczna (objętościowa), praca zmiany
powierzchni, praca elektryczna, praca
odkształcenia.
Chem. Fiz. TCH II/01
12
Wprowadzenie do
termodynamiki
CIEPŁO
Chem. Fiz. TCH II/01
13
Wprowadzenie do
termodynamiki
przed
po
Proces endotermiczny z wymianą
ciepła z otoczeniem
Chem. Fiz. TCH II/01
14
Wprowadzenie do
termodynamiki
przed
po
Proces endotermiczny w układzie
z osłoną adiabatyczną
Chem. Fiz. TCH II/01
15
Wprowadzenie do
termodynamiki
Własności fizyczne układów:
Ekstensywne (addytywne, zależne od ilości i
rodzaju składników, wielkości układu)
x = ∑i =1 xi
n
(np. masa układu lub objętość układu)
Intensywne nie są addytywne.
(np. temperatura, ciśnienie, gęstość, wielkości
molowe)
Chem. Fiz. TCH II/01
16
Wprowadzenie do
termodynamiki
Parametry stanu:
Wielkości ekstensywne wystarczające do
całkowitego scharakteryzowania stanu układu.
P, V, T
Równanie stanu:
f(P,V,T)=0
Dla gazu doskonałego: pV=nRT
Chem. Fiz. TCH II/01
17
Wprowadzenie do
termodynamiki
Temperatura i „zerowa” zasada
termodynamiki
Dwa ciała, które osiągnęły stan równowagi
cieplnej, mają taką samą temperaturę, a ciepło nie
jest już między nimi wymieniane.
Jeżeli ciało A pozostaje w równowadze termicznej z
ciałem B i z ciałem C, to ciała B i C także pozostają
ze sobą w równowadze termicznej (cieplnej).
Chem. Fiz. TCH II/01
18
Wprowadzenie do
termodynamiki
Praca objętościowa
Pzewn
dw = − Pzewn Sdx = − Pzewn dV
Pgazu
P⋅S = F
dx
S = π ⋅r2
Chem. Fiz. TCH II/01
19
Wprowadzenie do
termodynamiki
Praca objętościowa
Trzy sposoby wykonywania pracy przez układ:
1. Przeciwko stałemu ciśnieniu zewnętrznemu (Pzewn= const).
k
k
w = ∫ dw = − Pzewn ∫ dV = − Pzewn (Vk − V p )
p
p
2. Przeciwko zerowemu ciśnieniu zewnętrznemu (ekspansja do
próżni, szczególny przypadek poprzedniego), Pzewn= 0.
w=0
Chem. Fiz. TCH II/01
20
Wprowadzenie do
termodynamiki
Praca objętościowa (c.d.)
3. Sposób kwasistatyczny: Pzewn= Pgazu ±dP, w szczególności
izotermicznie.
nRT
dw = −
dV
V
k
k
Vp
dV
w = ∫ dw = − nRT ∫
= nRT ln
V
Vk
p
p
Chem. Fiz. TCH II/01
21
Wprowadzenie do
termodynamiki
Praca objętościowa (c.d.)
Praca objętościowa zależy od drogi jaką realizowana jest
przemiana. Jest ona całką z funkcji P=f(V)dV i polem
powierzchni pod wykresem w układzie współrzędnych P-V.
Chem. Fiz. TCH II/01
22
Kto to jest?
Wasz wykładowca (dla nieobecnych na wykładzie)
Chem. Fiz. TCH II/01
23