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