Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly

Átírás

1 Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly Bányai István DE TTK Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék Környezeti fizikai kémia 1

2 A fizikai-kémia és környezeti kémia I. A fizikai kémia Az alapelvek megfogalmazása (jelenlegi) A jelenségek összefoglalása Környezetkémiai esetek Gyors helyzetelemzés (benzin-víz, vörösziszap) Biológia véd, a kémia szennyez (gombamérgezés) NIMBY Környezeti fizikai kémia 2

3 A fizikai-kémia és környezeti kémia II. A termodinamika (egyensúlyok) Spontán változások a környezetben (N 2 ) Az egyensúly stabilitása (megbomlása, nem bomlik ) A szerkezet (számítási kémia) screening ez a legkörnyezetbarátabb kémia (vegyipar, gyógyszeripar) lehetetlen folyamatok (felső légkör) Kinetika (transzportofolyamatok) a környezet nincs egyensúlyban a környezet nem keverhető Környezeti fizikai kémia 3

4 A szellemi környezetszennyezés A szellemi környezetszennyezés visszaélés a médiával: üzleti és kevésbé hitbéli példák: fluorid (szódium fluorid), ) patkanymereggel-mosunk-fogat Oka: a tudomány előrehaladása, elektronikus középkor, a tudományos eredmények eltávolodása az embertől Környezeti fizikai kémia 4

5 A termodinamika főtételei 0. főtétel: A termikus egyensúlynak nem feltétele az, hogy a rendszerek érintkezzenek, elegendő a hőmérséklet azonossága és a rendszer homogén volta. I. főtétel: Az energia-megmaradás tétele. Nincs rá bizonyíték, tapasztalati törvény. A termodinamika nyelvezete II. főtétel: A természetes folyamatok mind irreverzíbilisek. A reverzíbilitás fogalma és nyelvezete az események úgy történnek, ahogyan várjuk III. főtétel: Az abszolút zérus fok absztrakció Környezeti fizikai kémia 5

6 Rendszerek, falak nyílt zárt izolált Környezeti fizikai kémia 6

7 Endoterm és exoterm folyamatok Izolált rendszerben a hőmérséklet változása mutatja a hőszínezetet Zárt rendszerben a hőcsere Környezeti fizikai kémia 7

8 Az I. főtétel (hő és munka fogalma) U U U du du du Rendszer: A B A B diatermikus A adiabatikus B Ami munkavégzés történik, a dugattyú mozogása: du du du dw A Az A a rendszer belső energiája: du du dw A Mivel A merev falú csak energiaátadás történik: A A B B du dq dw A belső energia és a hő definíciója Környezeti fizikai kémia 8

9 Energiátadás és munkavégzés Környezeti fizikai kémia 9

10 Az ideális hőerőgép: a hő és munka kapcsolata, körfolyamat fontossága Mechanikai sík, azaz a munkát mutatja T m T m T a A hatásfok 1, ha T a = 0 0 ha T a = T m Környezeti fizikai kémia 10

11 Energia sík, termikus sík T T 1 d W W ( T T ) S d W ( T T ) S T 2 S S Környezeti fizikai kémia 11

12 Munkák: KELVIN TÉTELE (II. főtétel) du d Q + dw reverzíbilis: d U = dq dw TdS dw mivel U és S állapotfüggvény dw 0 Nem reverzíbilis úgy lehet, ha a hőcsere nem reverzíbilis, akkor viszont a TdS nem egyenlő Q-val és dw 0 Ez azonban akkor lehet ha legalább 2 T van és nem azonosak Környezeti fizikai kémia 12

13 Munkák II, ha nem termikus munka van: nem hőerőgépek! du d Q + dw reverzíbilis, p áll: du TdS pdv Fdl U dq dn el. pot i i du TdS pdv Fdl U dq dn dg el. pot i i dh TdS Fdl U dq dn dg el. pot i i Elemek: töltés áramlása feszültség között Ember: anyagáram kémiai potenciál között Hőerőgép: entrópia áramlása hőmérsékletkülönség között Környezeti fizikai kémia 13

14 A második főtétel Környezetétől elszigetelt rendszer entrópiája csak nőhet, ha benne valós (irreverzíbilis) folyamatok játszódnak le. dq ds rev 0 T Tankönyvi példa: dugattyú izolálva, de a külső nyomás kisebb mint a belső, benne tökéletes gázzal. A számolásra nagyon kell vigyázni! Reverzíbilis út Környezeti fizikai kémia 14

15 Az entrópiáról Nem tudja azt senki fia, mitűl nő az entrópia. (RaKeTa) A rendezetlenség mértéke? a víz rendezetlenebb mint a jég, a gőz mint a víz egyensúlyban a fluid fázis arányát növeljük ha hőt közlünk!!!! hőt kell közölnünk valamivel, hogy rendezetlenebb legyen (?) TS nő azaz Q =T S ha reverzíbilis Ha nem reverzíbilis akkor Q T S, mert a felvett hőből egy rész visszamegy (pl. surlódás), vagy fel se veszi, mert a nem reverzíbilis munkavégzés kisebb! Környezeti fizikai kémia 15

16 A II. főtétel Összevetés az elsővel az I. főtétel a hő és a munka összegével foglalkozik Megfogalmazások spontán változások, amelyekben munkavégzés történhet (nem lehet melegítve a téglát házat építeni, de fordítva igen) a rendszer instabilis állapotból stabilis állapotba kerül a rendszerbe fektetett munka spontán folyamatban disszipálódik Környezeti fizikai kémia 16

17 A folyamatok iránya valós rendszerekben (izolált rendszer valójában nincs) A reverzíbilis munkavégzés mindig nagyobb dw d W rev dw dw 0 rev du dq dw dq dw rev dw dw dq dq 0 rev rev dqrev dq dq dqrev dq ds T T T TdS d Q ( p áll) TdS dh dh TdS 0 dg 0 Ha egy rendszer nyomása állandó és benne nincs munkavégzés más csak térfogati munka Környezeti fizikai kémia 17 rev

18 Bevezetés vége Környezeti fizikai kémia 18

19 Környezeti kémia

20 Termodinamikai számítások G = H TS dg = dh TdS-SdT T,p=áll. dg = dh TdS ΔS > 0 ΔG < 0 spontán változásnál

21 Nitrogén és oxigén reakciója? N2 O2 termék Képződési szabadental pia, ΔG, kj/mol NO(g) 86,5 NO 2 (g) 51,37 N 2 O 4 (g) 98,14 N 2 O(g) 104,38 HNO 3 (f) -79,9 HNO 3 (aq) -111,25 Preisich Miklós: Vegyészek zsebkönyve, Bp. 1963, 578p. ΔG > 0 Még több N 2 és O 2 képződne

22 NO 2 parciális nyomása a levegőben Δ R G = -RT lnk lnk= / 8, = -41,49 K=e -41,49 = 9, K= p NO2 2 / p N2 p O2 2 N 2 2O 2 2 NO2 K= x 2 / 0,8 0,2 2 x = 1, a NO 2 parciális nyomása a levegőben

23 Képződhet HNO 3? K N 5 O 2 H O 4 HNO Δ R G = 4 Δ f G HNO3 - Δ f G H2O = 4 (- 79,9) - 2 (-237) = =154,4 kj/mol lnk= /8,314/298 = -62,35 K= p HNO3 4 / p N22 p O2 5 p H2O 2 p HNO3 =3, bar

24 HNO 3 gőznyomás vs. koncentráció ~0,1 mol/kg oldószer ph 1 lenne Tengervíz ph = 7,8-8,2 Tang, Munkelwitz, Lee: Vapor-liquid equlibrium measurements for dilute nitric acid solutions, Atmospheric Environment Vol. 22, No. 11, pp ,1988.

25 Vége Környezeti fizikai kémia 25

26 gőzgép p 2 T 1 p 1 T 1 izoterm izobár turbina(dugattyú) kazán hűtő kondenzátor p 2 T 2 tápszivattyú p 1 T Környezeti fizikai kémia 26

27 Dugattyús gőzgép és működési diagramja A töltés (izobár) B expanzió (adiabatikus) p friss gőz be (nyomásugrás fel) C fáradt gőz ki (nyomása leesik) D E dugattyú kiszorítja a gőzt (izobár) V Mechanikai hatásfok 90 %, a termikus hatásfok 15% Környezeti fizikai kémia 27

28 Robbanó motorok (gázgépek) A B 1.Szívás: benzin levegő be A 2. Sűrítés: két szelep zárva 3. Munkaütem: robbanás 4.Kipuffogás B Környezeti fizikai kémia 28

29 C Munkadiagram p robbanás B sűrítés munkvégzés D kipuffogás E szívás A V e /V a =1/6 p b /p c = 10/30(bar) T c = 1500 o C, T d = 600 Hat. fok= 50 % (Carnot 80 %) Környezeti fizikai kémia 29 V

30 Üzemanyag (mivel fejlesztjük a hőt) Környezeti fizikai kémia 30

31 Alternatív tüzelőanyagok Hidrogén gazdaság Környezeti fizikai kémia 31

32 A működés módja, és maximális hatásfok Ha A>B akkor az legyen a munkagép és B a hűtőgép. Ez azt jelenti, hogy q c kevesebb munkával kerül vissza: egy hőtartályos gép Környezeti fizikai kémia 32