I. A II. FŐTÉTEL NÉHÁNY MEGFOGALMAZÁSA A TERMODINAMIKA MÁSODIK FŐTÉTELE I. A II. FŐTÉTEL NÉHÁNY MEGFOGALMAZÁSA I. A II. FŐTÉTEL NÉHÁNY MEGFOGALMAZÁSA

Hasonló dokumentumok
II. AZ ENTRÓPIA TERMODINAMIKAI ÉS STATISZTIKUS DEFINÍCIÓJA II. AZ ENTRÓPIA TERMODINAMIKAI ÉS STATISZTIKUS DEFINÍCIÓJA

rendszer: a világ általunk vizsgált, valamilyen fallal (részben) elhatárolt része környezet: a világ rendszert körülvevő része

VÁLASZOK A FIZKÉM I ALAPKÉRDÉSEKRE, KERESZTÉVFOLYAM 2006

rendszer: a világ általunk vizsgált, valamilyen fallal (részben) elhatárolt része környezet: a világ rendszert körülvevő része

Az entrópia statisztikus értelmezése

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport

KLASSZIKUS TERMODINAMIKA

A TERMODINAMIKA MIKROSZKOPIKUS ÉRTELMEZÉSE: A STATISZTIKUS TERMODINAMIKA ALAPJAI

Spontaneitás, entrópia

Elektrokémia 03. Cellareakció potenciálja, elektródreakció potenciálja, Nernst-egyenlet. Láng Győző

Spontaneitás, entrópia

Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. TERMODINAMIKA az egyensúlyok és folyamatok tudománya

Zrínyi Miklós. Történeti visszatekintés. Történeti visszatekintés. Biofizikai termodinamika (Bio-termodinamika) Az energiamegmaradás tétele

Makroszkópos tulajdonságok, jelenségek, közvetlenül mérhető mennyiségek leírásával foglalkozik (például: P, V, T, összetétel).

Alapvető elektrokémiai definíciók

1. AZ ENERGIAÁTALAKULÁS TÖRVÉNYEI, BIOENERGETIKA

Termodinamikai bevezető

Munka- és energiatermelés. Bányai István

Bevezetés a kémiai termodinamikába

Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly

Termokémia, termodinamika

Termokémia. Hess, Germain Henri ( ) A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011

OKTATÁSI SEGÉDANYAG AZ ORVOSI BIOFIZIKA II alábbi témáinak elsajátításához

Megjegyzések (észrevételek) a szabad energia és a szabad entalpia fogalmához

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

Egy részecske mozgási energiája: v 2 3 = k T, ahol T a gáz hőmérséklete Kelvinben 2 2 (k = 1, J/K Boltzmann-állandó) Tehát a gáz hőmérséklete

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

Digitális tananyag a fizika tanításához

Belső energia, hőmennyiség, munka Hőtan főtételei

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

Fizika II. (Termosztatika, termodinamika)

Darupályák ellenőrző mérése

SZÁMOLÁSI FELADATOK. 2. Mekkora egy klíma teljesítménytényező maximális értéke, ha a szobában 20 C-ot akarunk elérni és kint 35 C van?

q=h(termékek) H(Kiindulási anyagok) (állandó p-n) q=u(termékek) U(Kiindulási anyagok) (állandó V-n)

Termodinamika (Hőtan)

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

ELEKTROKÉMIA GALVÁNCELLÁK ELEKTRÓDOK

Tiszta anyagok fázisátmenetei

Termodinamika. Belső energia

A termodinamika II. és III. főtétele

/11 Változtatások joga fenntartva. Kezelési útmutató. UltraGas kondenzációs gázkazán. Az energia megőrzése környezetünk védelme

Az energia. Energia : munkavégző képesség (vagy hőközlő képesség)

Energia. Energia: munkavégző, vagy hőközlő képesség. Kinetikus energia: a mozgási energia

A termodinamikai rendszer energiája. E = E pot + E kin + U E pot =m g h E kin =½m v². U = U 0 + U trans + U rot + U vibr + U khat + U gerj

ELTE II. Fizikus, 2005/2006 I. félév KISÉRLETI FIZIKA Hıtan 15. (XII.14) Irreverzibilis termodinamika Diffúzió

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

2012/2013 tavaszi félév 8. óra

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

Hajdú Angéla

,...,q 3N és 3N impulzuskoordinátával: p 1,

Elméleti fizikai kémia II. Felületek termodinamikája nts/tamop/mfk/ch05.html

Orvosi Fizika 11. Transzportfolyamatok termodinamikai vonatkozásai. Dr. Nagy László

Hőtan I. főtétele tesztek

Termodinamika. Gázok hőtágulása, gáztörvények. Az anyag gázállapota. Avogadro törvény Hőmérséklet. Tóth Mónika.

Energia. Energiamegmaradás törvénye: Energia: munkavégző, vagy hőközlő képesség. Az energia nem keletkezik, nem is szűnik meg, csak átalakul.

Kolloid rendszerek definíciója, osztályozása, jellemzése. Molekuláris kölcsönhatások. Határfelüleleti jelenségek (fluid határfelületek)

VIII. ELEKTROMOS ÁRAM FOLYADÉKOKBAN ÉS GÁZOKBAN

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

Elektrokémia 03. (Biologia BSc )

Kémiai reakciók sebessége

ORVOSI STATISZTIKA. Az orvosi statisztika helye. Egyéb példák. Példa: test hőmérséklet. Lehet kérdés? Statisztika. Élettan Anatómia Kémia. Kérdések!

4 2 lapultsági együttható =

Elegyek. Fizikai kémia előadások 5. Turányi Tamás ELTE Kémiai Intézet. Elegyedés

NKFP6-BKOMSZ05. Célzott mérőhálózat létrehozása a globális klímaváltozás magyarországi hatásainak nagypontosságú nyomon követésére. II.

2. Energodinamika értelmezése, főtételei, leírási módok

Termokémia. Termokémia Dia 1 /55

Az elektromos kölcsönhatás

Molekuláris dinamika: elméleti potenciálfelületek

Fizika. Fizika. Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK március 27.

Variancia-analízis (ANOVA) Mekkora a tévedés esélye? A tévedés esélye Miért nem csinálunk kétmintás t-próbákat?

1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből

Hipotézis vizsgálatok. Egy példa. Hipotézisek. A megfigyelt változó eloszlása Kérdés: Hatásos a lázcsillapító gyógyszer?

A TERMODINAMIKA I. AXIÓMÁJA. Egyszerű rendszerek egyensúlya. Első észrevétel: egyszerű rendszerekről beszélünk.

Békefi Zoltán. Közlekedési létesítmények élettartamra vonatkozó hatékonyság vizsgálati módszereinek fejlesztése. PhD Disszertáció

Műszaki folyamatok közgazdasági elemzése. Kevert stratégiák és evolúciós játékok

s n s x A m és az átlag Standard hiba A m becslése Információ tartalom Átlag Konfidencia intervallum Pont becslés Intervallum becslés

1 Műszaki hőtan Termodinamika. Ellenőrző kérdések-02 1

Fizika II. (hőtan, termosztatika, termodinamika) előadási jegyzet Élelmiszermérnök, Biomérnök és Szőlész-borász mérnök hallgatóknak

6. Termodinamikai egyensúlyok és a folyamatok iránya

KÉMIAI TERMODINAMIKA. (Grofcsik András előadásvázlata alapján)

A kvantumkémia alkalmazása PES kémiai szempontból fontos jellemzői. A kvantumkémia alkalmazása Fogalmak

A természetes folyamatok iránya (a folyamatok spontaneitása)

rendszer: a világ általunk vizsgált, valamilyen fallal (részben) elhatárolt része környezet: a világ rendszert körülvevő része

Termodinamikai állapot függvények és a mólhő kapcsolata

Die Sensation in der Damenhygiene Hasznos információk a tamponokról

Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2009/2010. Kémia I. kategória II. forduló A feladatok megoldása

Égés és oltáselmélet I. (zárójelben a helyes válaszra adott pont)

Légköri termodinamika

Méréselmélet: 5. előadás,

A hidrosztatika alapegyenlete vektoriális alakban: p = ρg (1.0.1) ρgds (1.0.2)

A sokaság/minta eloszlásának jellemzése

d(f(x), f(y)) q d(x, y), ahol 0 q < 1.

Általános kémia képletgyűjtemény. Atomszerkezet Tömegszám (A) A = Z + N Rendszám (Z) Neutronok száma (N) Mólok száma (n)

Tiszta és kevert stratégiák

Általános esetben az atomok (vagy molekulák) nem függetlenek, közöttük erős

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI- FELVÉTELI FELADATOK 1995 JAVÍTÁSI ÚTMUTATÓ

Mérnöki alapok 8. előadás

8. Belső energia, entalpia és entrópia ideális és nem ideális gázoknál

Környezetvédelmi analitika

Átírás:

A ERMODINAMIKA MÁSODIK FŐÉELE I. A II. őtétel néány megogalmazása. II. Az entrópa termodnamka és statsztkus denícója. Entrópatétel. III. A rendszer, a környezet és ezek együttes entrópájának változása tökéletes gázok erzíbls és rerzíbls zoterm expanzója során. IV. Az entrópa változása néány ontos olyamatban V. A ő átalakítása munkává: a Carnot-cklus lényege és a atások ogalma. VI. Hőerőgépek, űtőgépek és őszvattyúk működésének lényege. I. A II. FŐÉEL NÉHÁNY MEGFOGALMAZÁSA Előzmény: néány általános tapasztalat Adott körülmények között csak egyetlen önkéntes (spontán) olyamatrány létezk.? 1 2 I. A II. FŐÉEL NÉHÁNY MEGFOGALMAZÁSA Előzmény: néány általános tapasztalat A ő csak magasabb őmérsékletű testről megy át önként degebbre, ordítva nem. Csak önként végbemenő olyamat végez munkát. Fordított rányú olyamat munkabeektetés és/vagy őközlés árán valósítatók meg. Nncs olyan olyamat, melyben a ő teljes egészében munkává alakul, mközben más változás nem következk be. Másképpen: másodajú perpetuum moble nem szerkesztető. 3 I. A II. FŐÉEL NÉHÁNY MEGFOGALMAZÁSA Környezet energaváltozása + rendszer energavált. = M atározza meg az önként végbemenő (spontán) olyamat rányát? NEM az zolált rendszer teljes energája, mvel az energa állandó! A spontán változások mndg együtt járnak azzal, ogy az energa mnd rendezetlenebbé válk, mnd szélesebb körben szétszóródk (dsszpálódk). 4 I. A II. FŐÉEL NÉHÁNY MEGFOGALMAZÁSA I. A II. FŐÉEL NÉHÁNY MEGFOGALMAZÁSA Új ogalom: Entrópa: anyag rendszerek molekulárs rendezetlensége (Rudol Clausus) Görög: τροπή = változástartalom 5 Egy zolált rendszer entrópája valamely önként lejátszódó olyamatban nő: ΔS tot >. Izolált rendszer entrópája önmagában nem csökken. Önként lezajló olyamatok esetén az zolált rendszer entrópája nem csökkenet. A valóságos olyamatok rerzblsek, ezekben az entrópa csak növekedet. Egyensúly állapotban a globálsan zolált rendszer entrópája maxmáls. Ez az entrópamaxmum elve. 6 1

Rögzítsük smét: Spontán olyamat: adott körülmények között magától, külső beatás nélkül végbemegy. Pl.: meleg test leűl (őátmenet nagy -ről ks -re), a réz(ii)-szulát oldatból a réz a cnkrúdra kválk, H 2 + Cl 2 2 HCl önként végbemegy. Megelelő körülmények (gőzgép, galvánelem stb.) között a spontán olyamatok munkát végeznek! Az ellenkező rányú nem spontán olyamat energabeektetéssel (őközléssel, munkavégzéssel) kkényszerítető: a test munkavégzéssel vagy őközléssel smét elmelegítető, a cnkrúdra kvált réz onnan leeleketrolzálató, A HCl ő- vagy elektromos energával elbontató. 7 II. AZ ENRÓPIA ERMODINAMIKAI ÉS SAISZIKUS DEFINÍCIÓJA A klasszkus (enomenologkus) termodnamkában ds a erzíbls őcsere és őmérsékletének ányadosa dq nntezmáls: ds dq ll. véges változásban: S A statsztkus termodnamkában: S = k lnw aol W a termodnamka valószínűség. [Az előző állítást, az utóbb valószínűséget mond. A két megközelítés azonos értékű. Az utóbb az S abszolút értéke szempontjából megatározó.] 8 II. AZ ENRÓPIA ERMODINAMIKAI ÉS SAISZIKUS DEFINÍCIÓJA Az entrópáról: Állapotüggvény: értéke csak a rendszer kezdet és végállapotától ügg, és üggetlen az úttól. Extenzív mennység: értéke az anyagmennységgel arányos, mértékegysége: J K -1 (Clausus) Az 1 mol anyagmennységre vonatkoztatott molárs entrópa már ntenzív mennység, mértékegysége: J K -1 mol -1. Látn ogjuk: K-től számított abszolút értéke van és ezt meg tudjuk atározn. 9 II. AZ ENRÓPIA ERMODINAMIKAI ÉS SAISZIKUS DEFINÍCIÓJA Mnt a több termodnamka üggvény (U, H) esetén, az entrópára (S) s érvényes: Entrópája mnden rendszernek van, és ez az S érték ügg a rendszer állapotától (állapotjelzőtől), de nem ügg attól, mlyen úton jutott a rendszer ebbe az állapotba. Entrópaváltozás kísér mnden olyamatot, zkakéma változást (pl. párolgás, reakcóentrópa). Az entrópa állapotüggvény jellegéből következk, ogy erzíbls körolyamatban az entrópaváltozás értéke : dq ds 1 II. AZ ENRÓPIA ERMODINAMIKAI ÉS SAISZIKUS DEFINÍCIÓJA Az entrópa statsztkus értelmezéséez: (Ludwg Boltzmann (1844-196)) k: Boltzmann-állandó W: termodnamka valószínűség (az adott makroállapotoz rendelető mkroállaptok száma) II. AZ ENRÓPIA ERMODINAMIKAI ÉS SAISZIKUS DEFINÍCIÓJA Az entrópa statsztkus értelmezéséez: (Ludwg Boltzmann (1877)) Mnden makroállapot (p,, V, n) sok-sok mkroállapot révén valósul meg (mkroállapot: egyed részecskék (atomok/molekulák) energaállapotának koordnátá). A különböző mkroállapotok betöltöttségét az abban lévő azonos koordnátájú molekulák száma adja. Mndg a legvalószínűbb állapot valósul meg: ez a legtöbb változatban (sokéle betöltöttséggel) megvalósítató makroállapot. Ennek mértéke a W termodnamka valószínűség. 11 12 2

II. AZ ENRÓPIA ERMODINAMIKAI ÉS SAISZIKUS DEFINÍCIÓJA II. AZ ENRÓPIA ERMODINAMIKAI ÉS SAISZIKUS DEFINÍCIÓJA S = S = Nkln2 Klasszkus termodnamka: az entrópa nő mnden önként végbemenő, valóságos olyamatban. Két üggetlen gáz entrópája: S = S 1 + S 2 Valószínűségszámításból: (W 1,W 2 ) = (W 1 )(W 2 ) Ennek a eltételnek megelelő S = (W) üggvény: S = k lnw aol k = 1,381-23 J/K (Boltzmann-állandó) S = S 1 + S 2 = k lnw 1 + k lnw 2 = k ln(w 1 W 2 ) Az entrópa ez alapján a rendezetlenség mértéke. A természetben önként végbemenő olyamatok az entrópa, azaz a rendezetlenség növekedése rányába mennek végbe. 13 14 II. AZ ENRÓPIA ERMODINAMIKAI ÉS SAISZIKUS DEFINÍCIÓJA A klasszkus (ormáls) termodnamka szernt a spontán olyamatokban mndg nő az entrópa. Elvleg sncs kvétel. A statsztkus termodnamka elvleg megenged az entrópa csökkenéssel járó olyamatokat s: ennek valószínűsége azonban valós (makroszkopkus) rendszerekben méretetlenül kcs. [A labda eszernt magától s elpattanatna a öldről, de eddg ezt senk sem észlelte, és alga ogjuk észleln.] 15 III. A RENDSZER, A KÖRNYEZE ÉS EZEK EGYÜES ENRÓPIÁJÁNAK VÁLOZÁSA A II. őtétel zolált (elszgetelt) rendszerre vonatkozk. A gyakorlatban a legtöbb vzsgált rendszer a környezetével termkusan és/vagy mecankusan érntkezk. Ilyenkor bármlyen változás mnd a rendszerben (ds), mnd annak környezetében (ds sur vagy ds ) entrópaváltozást eredményez. Ha a olyamat erzíbls, akkor a elvett, ll. leadott S nagysága azonos, a rerzíbls (a valóságban mndg), akkor a rendszer és környezete együttes entrópája megnő, entrópa termelődk. 16 III. A RENDSZER, A KÖRNYEZE ÉS EZEK EGYÜES ENRÓPIÁJÁNAK VÁLOZÁSA A Clausus-éle egyenlőtlenség: A valóságos olyamatokban az entrópa jobban növekszk, mnt a őcseréből számított entrópa: ds dq/, azaz ds (dq/). A > jel a valóságos, rerzíbls, az = jel a erzíbls olyamatokra vonatkozk. IV. AZ ENRÓPIA VÁLOZÁSA NÉHÁNY FONOS FOLYAMABAN a) Entrópaváltozás spontán őcserében b) Entrópaváltozás adabatkus olyamatokban c) Az entrópa változása a térogattal: a tökéletes gáz zoterm kterjedése d) Entrópaváltozás ázsátmenetben az átmenet (pl. olvadás, orrás) őmérsékletén e) Az entrópa változása a őmérséklettel 17 18 3

IV. AZ ENRÓPIA VÁLOZÁSA NÉHÁNY FONOS FOLYAMABAN a) Spontán őcsere A dq őmennység ormájában energa jut a magasabb őmérsékletű őorrásból a c alacsonyabb őmérsékletű őgyűjtőbe. dq távozk a őorrásból, ezért entrópája - dq / -val csökken. A dq őmennység a deg őgyűjtőbe jutva + dq / c entrópanövekedést okoz. A teljes entrópaváltozás: dq dq 1 1 ds dq c c 19 IV. AZ ENRÓPIA VÁLOZÁSA NÉHÁNY FONOS FOLYAMABAN b) adabatkus olyamatokban (tt nncs őcsere) Adabatkus erzíbls olyamatokban az entrópa változatlan, ekkor ugyans q =, így ΔS = q / =. Ezek az zentrópkus olyamatok. Ha a rendszerben rerzíbls adabatkus változás megy végbe, akkor a rendszerben dq r = és ds. Az adabatkus spontán változás során a rendszer entrópája megnő. Az adabatkus spontán változás során nem jut ő a környezetbe, ezért a környezet entrópája állandó marad, azaz ds sur =. A rendszer és környezete együttes entrópaváltozása teljesít a ds tot eltételt. 2 IV. AZ ENRÓPIA VÁLOZÁSA NÉHÁNY FONOS FOLYAMABAN c) Entrópaváltozás zoterm olyamatokban: a tökéletes gáz kterjedése (expanzója) Ha a rendszerben a tökéletes gáz erzíbls zoterm kterjedése megy végbe, akkor dq = -dw (mvel du = ). [A munka edezete a környezetből elvett ő.] M a elyzet az entrópával? Konkrétabban: Hogyan változk az entrópa a térogattal? 21 IV. AZ ENRÓPIA VÁLOZÁSA NÉHÁNY FONOS FOLYAMABAN c) Entrópaváltozás zoterm olyamatokban: a tökéletes gáz kterjedése (expanzója) Ha a rendszerben a tökéletes gáz erzíbls zoterm kterjedése megy végbe, akkor dq = -dw (mvel du = ). A rendszer két állapota között entrópakülönbség kszámítása: kell találnunk egy erzíbls utat (őelvétel és munkavégzés s van): V q w nrln V majd mnden egyes lépésben ntegráln kell a elvett ő és a őelvétel őmérsékletének ányadosát. S dq q 1 dq V nrln V 22 IV. AZ ENRÓPIA VÁLOZÁSA NÉHÁNY FONOS FOLYAMABAN c) Entrópaváltozás zoterm olyamatokban: a tökéletes gáz kterjedése (expanzója) Ha a rendszerben a tökéletes gáz erzíbls zoterm kterjedése megy végbe, akkor dq = -dw (mvel du = ). A rendszer két állapota között entrópakülönbség kszámítása: A tökéletes gáz entrópája a térogattal növekszk. Értelmezés: a nagyobb térogat a molekulák számára nagyobb rendezetlenséget bztosít. dq 1 q V S dq nr ln 23 V IV. AZ ENRÓPIA VÁLOZÁSA NÉHÁNY FONOS FOLYAMABAN d) Fázsátalakulás entrópája a ázsátalakulás -én Olvadáskor/agyáskor vagy orráskor/ lecsapódáskor a molekulárs rendezettségben jelentős változás következk be, így eltételezető az entrópa jelentős megváltozása. Olvadás: a rendezett állapotú szlárd szerkezet átalakul egy rendezetlenebb olyadékállapottá. S nő! Párolgás: a ks térogatot eloglaló kondenzált ázs nagy térogatot ktöltő gázzá alakul, így a rendszer entrópája jelentős mértékben megnő. 24 4

IV. AZ ENRÓPIA VÁLOZÁSA NÉHÁNY FONOS FOLYAMABAN d) Fázsátalakulás entrópája a ázsátalakulás -én trs : normáls ázsátmenet őmérséklet A jég-víz ázsegyensúly: 1 atm nyomáson trs = 273 K. A víz-gőz ázsegyensúly: 1 atm nyomáson trs = 373 K. A ázsátalakulás őmérsékletén a rendszer és környezet között bármlyen őcsere erzíbls, mvel a rendszert alkotó két ázs egyensúlyban van. Állandó nyomáson q = Δ trs H, így a rendszer trsh entrópaváltozása: trss trs 25 IV. AZ ENRÓPIA VÁLOZÁSA NÉHÁNY FONOS FOLYAMABAN d) Fázsátalakulás entrópája a ázsátalakulás -én A agyás, kondenzálás exoterm (Δ trs H < ), így a ázsátmenet entrópaváltozása negatív. Az entrópacsökkenés összangban van azzal, ogy a olyadék szlárd alakulásakor a rendszer rendezettebbé válk. Olvadás, párolgás endoterm (Δ trs H > ), így a ázsátalakulás entrópaváltozása poztív. A rendszer rendezetlenebb lesz. Az endoterm olyamatokban a rendszer entrópája nő. routon-szabály (tapasztalat): sok olyadék standard párolgás entrópája közel azonos, kb. +85 J K -1 mol -1. Az eltérések molekulárs szemléletben értelmezetők. 26 IV. AZ ENRÓPIA VÁLOZÁSA NÉHÁNY FONOS FOLYAMABAN IV. AZ ENRÓPIA VÁLOZÁSA NÉHÁNY FONOS FOLYAMABAN routon-szabály (tapasztalat): sok olyadék standard párolgás entrópája közel azonos, kb. +85 J K -1 mol -1. Az eltérések molekulárs szemléletben értelmezetők. 27 Δ us S < Δ vap S: párolgáskor nagyobb mértékben nő a rendezetlenség, mnt olvadáskor 28 IV. AZ ENRÓPIA VÁLOZÁSA NÉHÁNY FONOS FOLYAMABAN e) Az entrópa változása a őmérséklettel A III. őtétel keretében ogjuk tárgyaln. Nő! V. A HŐ ÁALAKÍÁSA MUNKÁVÁ. A CARNO-CIKLUS ÉS A HAÁSFOK FOGALMA 29 3 5

V. A HŐ ÁALAKÍÁSA MUNKÁVÁ. A CARNO-CIKLUS ÉS A HAÁSFOK 1. (A B) Izoterm erzíbls kterjedés őmérsékleten: a rendszer munkát végez és őt vesz el. 2. (B C) Adabatkus erzíbls kterjedés, leűlés -ról c -re: a rendszer munkát végez, de őcsere nncs. 3. (C D) Izoterm erzíbls összenyomás c -n: a rendszeren munkát végzünk és a rendszer őt ad le. 4. (D A) Adabatkus erzíbls összenyomás: a rendszeren munkát végzünk, őcsere nncs. A rendszre melegszk, 31 vsszajut kndulás állapotába: c. V. A HŐ ÁALAKÍÁSA MUNKÁVÁ. A CARNO-CIKLUS ÉS A HAÁSFOK S változása a őcsere révén a két őtartályban: q qc q qc ds c c q azaz: qc c ökéletes gáz erzíbls zoterm kterjedésekor (1): V B q w nr ln VA ökéletes gáz erzíbls zoterm összenyomásakor (3): V D q c w c nr c ln VC 32 V. A HŐ ÁALAKÍÁSA MUNKÁVÁ. A CARNO-CIKLUS ÉS A HAÁSFOK Hatások a Carnot-körolyamatban: A atások (ε): a termelt munka (azaz a q q c ) és a elvett ő (q ) ányadosa: q q qc c c 1 ε annál nagyobb, mnél ksebb c és mnél nagyobb ε maxmumot (=1) ér el, a c, vagy. [Ez a valóságban soasem következk be.] Valamenny erzíblsen működő gépezet atásoka üggetlenül a konstrukcótól azonos. 33 VI. HŐERŐGÉPEK, HŰŐGÉPEK ÉS HŐSZIVAYÚK MŰKÖDÉSÉNEK LÉNYEGE Hőerőgép: termkus energát (égésőt) alakít át mecanka munkává. Klasszkus esete a gőzgép (Watts gőzgépe az par orradalom kezdetét jelent), majd a belső égésű motor, gőzturbna, gázturbna. A gőzgépben munkát a magas őmérsékleten kterjedő gáz végz egy dugattyúban, cklusosan. A őerőgép elv jelentőségű modellje a Carnotcklus. A gőzgép gyakorlata és elmélete, lletve a termodnamka kölcsönösen segítették egymás ejlődését. Ebben az elrendezésben a tüzelőanyag (szén, olaj, gáz, a, benzn stb.) őjéből munkát nyerünk. 34 VI. HŐERŐGÉPEK, HŰŐGÉPEK ÉS HŐSZIVAYÚK MŰKÖDÉSÉNEK LÉNYEGE Hűtőgép: munka beektetésével őt von k a rendszerből (a űtőtérből) és ad le magasabb őmérsékletű elyen (a elységben), s ezzel űt a rendszert (a űtőteret). Itt (elektromos) munka beektetése révén a kívánt elyen (a űtőszekrény belsejében) űtünk (és pl. a szobában egy kcst űtünk, de ez nem jelentős). A teljesítménytényező számítása: qc qc c c w q q c c 35 VI. HŐERŐGÉPEK, HŰŐGÉPEK ÉS HŐSZIVAYÚK MŰKÖDÉSÉNEK LÉNYEGE Hőszvattyú: munka beektetésével őt von k egy nagy őtartályból (pl. talaj, tó, levegő) és vsz át egy másk elyre (lakás), amelyet ezzel űt. (Elektromos) munka beektetése révén űtünk a kívánt elyen. Az ellenoldal űtés a nagy őtartályban, (pl. a tóban, talajban) csak jelentéktelen őmérsékletcsökkenést okoz. A űtőgép és a őszvattyú s ordított Carnot-cklus. 36 6

A ERMODINAMIKA III. FŐÉELE I. A armadk őtétel néány megogalmazása II. Az entrópa változása a őmérséklettel III. Az abszolút zérus ok eléretetlensége IV. Az entrópa abszolút és standard értéke V. Standard reakcóentrópa I. A III. FŐÉEL NÉHÁNY MEGFOGALMAZÁSA Mnden elem entrópája stabls állapotában = K- en nulla. A vegyületek entrópája s nulla = K-en, a tökéletes krstályt alkotnak. Így mnden anyag entrópája poztív és megatározató érték. Nernst-éle őtétel: Bármely zka vagy kéma átalakulást kísérő entrópaváltozás nulláoz tart, a a őmérséklet nulláoz tart: ΔS, a. Walter Hermann Nernst (1864-1941) német zka kémkus 192: Nobel-díj termokéma kutatásokért 1899: MA tsztelet tagja 37 A statsztkus termodnamka megogalmazása: ökéletes krstályos anyagra (aol W = 1): S = k lnw =. A = K abszolút zérus ok tetszőlegesen megközelítető, de soa el nem érető. 38 II. AZ ENRÓPIA VÁLOZÁSA A HŐMÉRSÉKLEEL A kísérlet tapasztalat út jól járató annak megállapítására, ogyan ügg az entrópa a őmérséklettől széles tartományban. Hőközlés atására a testek őmérséklete emelkedk, bzonyos, jól denált őmérsékleten ázsátalakulás (olvadás, orrás) következk be. Az entrópa ds = dq / denícójából adódk, ogy növelésével egy test entrópája s növekszk, és ázsátalakuláskor s változk a rendszer entrópája. 39 II. AZ ENRÓPIA VÁLOZÁSA A HŐMÉRSÉKLEEL A őmérséklet emelkedésekor: A őmérsékletű rendszer entrópáját a kezdet őmérséklet S( ) entrópa, valamnt a q elvett ő smeretében leet kszámítan: dq dq S S S A dq -t leet (és célszerű) a jól mérető és széles - tartományokban pontosan smert C p őkapactás értékek alapján a dq = C p d értékkel elyettesíten: S S C d p 4 II. AZ ENRÓPIA VÁLOZÁSA A HŐMÉRSÉKLEEL Fázsátalakuláskor: A ázsátalakulással járó entrópaváltozás számítása és mérése egyszerű, mvel ez a olyamat állandó -n megy végbe: trsh trss trs Összesítve mnden almazállapotra és ázsátalakulásra: p bp Cp s d H Cp l d H Cp g d us vap S S p p bp bp 41 II. AZ ENRÓPIA VÁLOZÁSA A HŐMÉRSÉKLEEL A képlet alapján árom eladat van: C p őkapactások mérése széles -tartományban. [A őkapactás értékek kalormetrásan pontosan megatározatók.] A Δ trs H ázsátalakulás entalpák megatározása az átalakulás trs őmérsékletén. [Ezek s jól méretőek.] Megkeresn az S() értékét = K-en. [Kézenekvő, ogy a elérjük a = K őmérsékletet, akkor ott megméretjük az S() értékét s.] S S p C bp s d H Cp l d H Cp g us vap p p p bp bp d 42 7

Néány anyag standard (III. őtétel) entrópája (25 C) II. AZ ENRÓPIA VÁLOZÁSA A HŐMÉRSÉKLEEL C p / értékek a üggvényében: S értékek a első ábra görbéjének egyes része alatt területekből számolt + a ázsátalakulások Δ trs S értéke az alsó ábráról: S S p C bp s d H Cp l d H Cp g us vap p p p bp bp d 43 III. AZ ABSZOLÚ ZÉRUS FOK ELÉRHEELENSÉGE. A III. FŐÉEL MOLEKULÁRIS ÉRELMEZÉSE Végeredmény : az abszolút zérus ok ( K) nem érető el, csak sznte tetszőlegesen megközelítető. Az eddg elért legalacsonyabb = 4,5 1-1 K (23) A legalacsonyabb mért őmérséklet a természetben 1 K. [e Boomerang Nebula, wc s also known as te Bow e Nebula, was ormed by te outlow o gas rom an agng central star at speeds o nearly 6 klometers per our. s rapd expanson o gas as cooled molecules n te nebula to about one degree above absolute zero. Comment: COOL 44 III. AZ ABSZOLÚ ZÉRUS FOK ELÉRHEELENSÉGE. A III. FŐÉEL MOLEKULÁRIS ÉRELMEZÉSE ecnkák a = K megközelítéséez: A Joule omson-éle kterjesztéssel a élum orráspontja (4 K) körül őmérséklet különösebb neézség nélkül elérető. Az 1 K körül olyékony He elpárologtatásával érető el. 1 K alatt adabatkus demágnesezéssel leet űten. 45 A HÁROM FŐÉEL ÖSSZEVEÉSE: Az I. és II. őtétel rengeteg egybeeső (kvételt nem smerő) tapasztalat általánosítása, nem vezetetők le semm másból (pl. más törvényből, tételből, egyéb megontolásból, modellből stb.). A III. őtétel vszont levezetető! részben az entrópa alacsony őmérsékleteken mért és = K-re extrapolált értékéből, továbbá statsztkus mecanka megontolásokból (a valószínűség értelmezés alapján). 46 IV. AZ ENRÓPIA ABSZOLÚ ÉS SANDARD ÉRÉKE Az S() = következtében az entrópának abszolút értéke van (vs. U, H, amelyeknek nncs.) Az entrópát értelmezzük [S, ll. ΔS entrópája van ]: az anyagok (elemek és vegyületek) entrópája adott állapotban, adott őmérsékleten: S m θ /(J K 1 mol 1 ), a zka és a kéma olyamatok entrópaváltozása (ΔS). 47 IV. AZ ENRÓPIA ABSZOLÚ ÉS SANDARD ÉRÉKE Szlárd anyagok: grat, C(s) 5,7 gyémánt, C(s) 2,4 nádcukor, C 12 H 22 O 11 (s) 36,2 jód, I 2 (s) 116,1 Folyadékok: benzol, C 6 H 6 (l) 173,3 víz, H 2 O(l) 69,9 gany, Hg(l) 76, Gázok: metán, CH 4 (g) 186,3 szén-doxd, CO 2 (g) 213,7 drogén, H 2 (g) 13,7 élum, He(g) 126,2 ammóna, NH 3 (g) 192,3 ntrogén, N 2 (g) 192,1 S m θ /(J K 1 mol 1 ) 48 8

V. FOLYAMAOK SANDARD ENRÓPIÁJA Az entrópát értelmezzük: entrópája van pontosabban ΔS entrópaváltozása van a különböző olyamatoknak: ΔS zka olyamatokban (korábban láttuk): dq Cpd a) melegítés: S azaz S S V b) gázkterjedés: S nrln V trsh c) ázsátalakulás: trss trs 49 V. FOLYAMAOK SANDARD ENRÓPIÁJA Reakcókban: standard reakcóentrópa, Δ r S θ A tszta, különálló termékek és kndulás anyagok entrópá között különbség: S ν S Δ r S θ ontos adata egy reakcónak (megadja a spontán reakcó rányát). A gyakorlatban azonban rtkák az zolált rendszerek. Ha nem zolált a rendszer, akkor a rendszer és a környezet entrópáját együtt kell számoln. Ez megleetősen bonyolult és kényelmetlen. A termodnamka továbblépett: célszerű, új üggvényeket (A, G) denált. 5 r termékek m reaktánsok ν S m ERMODINAMIKAI POENCIÁLFÜGGVÉNYEK I. A ERMODINAMIKA I. ÉS II. FŐÉELÉNEK EGYESÍÉSE I. Az első és másodk őtétel egyesítése. II. A szabadenerga (Helmoltz-üggvény) és a szabadentalpa (Gbbs-üggvény). A termodnamka potencálüggvény ogalma és alkalmazása spontán olyamatok rányának megítélésében. Az egyensúly eltétele zárt, lletve nytott rendszerekben. III. A szabadentalpa üggvény tulajdonsága. I. őtétel: du = dw + dq (zárt rendszerben). Eez: dw = -pdv (a csak térogat munka van) II. őtétel: dq = ds (őcsere erzíbls olyamatban) Egyesítsük a I. és II. őtételt. Ekkor kapjuk az ún. alapvető egyenletet): du = ds pdv 51 52 ERMODINAMIKAI POENCIÁLFÜGGVÉNYEK Vzsgálatunk középpontjában a rendszer áll. Megkötések: A rendszer és a környezete termkus egyensúlyban van: = Nncs egyéb (nem-térogat) munkavégzés. Kndulás: A Clausus-éle egyenlőtlenség: ERMODINAMIKAI POENCIÁLFÜGGVÉNYEK Kétéle módon leet továbbalakítan: Hőátvtel állandó térogaton (azaz nncs térogat munka): du ds ds du átrend. ds du S = áll. U = áll. dq ds vagy dq ds 53 du Hőátvtel állandó nyomáson: V,S dh ds ds dh átrend. ds dh FONOS: Az egyenlőtlenségekben csak a rendszer sajátsága szerepelnek! dh p,s S = áll. ds V,U H = áll. ds p,h 54 9

ERMODINAMIKAI POENCIÁLFÜGGVÉNYEK Kétéle módon leet továbbalakítan: Hőátvtel állandó térogaton (azaz nncs térogat munka): du ds ds du átrend. Hőátvtel állandó nyomáson: dh ds ds dh du ds azaz állandó -en da V, átrend. dh ds azaz állandó -en dg,p 55 Alkalmazató termodnamka potencálüggvény Belső energa (U) Entalpa (H) Entrópa (S) Entrópa (S) Szabadenerga (A) Szabadentalpa (G) ERMODINAMIKAI POENCIÁLFÜGGVÉNYEK Körülmények S és V állandó S és p állandó U és V állandó U és p állandó és V állandó és p állandó A változás ránya spontán olyamatban du S,V (csökken) dh S,p (csökken) ds U,V (nő) ds U,p (nő) da,v (csökken) dg,p (csökken) du = ds pdv dh = ds + Vdp da = Sd pdv dg = Sd + Vdp 56 II. A SZABADENERGIA ÉS A SZABADENALPIA Egy rendszer csak akkor leet egyensúlyban, a nncsenek benne őmérsékletkülönbségek, azaz zoterm. A rendszer és környezete között s termkus egyensúly van. A nyílt, zoterm és zocor vagy zobár rendszerekre két új munkaüggvényt denáltunk. Előnyük, ogy csak a rendszerre vonatkoznak, a környezetet külön nem kell gyelembe venn. A két új üggvény: állandó és V esetén a szabadenerga (Helmoltz-energa) A = U S állandó és p esetén a szabadentalpa (Gbbs-energa) G = H S 57 HERMANN LUDWIG VON HELMHOLZ (1821-1894) JOSIAH WILLARD GIBBS (1839-193) II. A SZABADENERGIA ÉS A SZABADENALPIA Ezek a üggvények megadják erzíbls olyamatban a) a maxmáls asznos munka mértékét: A szabadenerga a maxmáls asznos munka mértéke állandó és V esetén (pl. zárt autoklávban): dw max = da = du ds A szabadentalpa a maxmáls asznos munka mértéke állandó és p esetén (pl. légtérre nytott lombkban): dw e,max = dg = dh ds b) az önként lejátszódó olyamatok rányát: Valamely nyílt zoterm rendszerben a spontán olyamatok a szabadenerga, ll. a szabadentalpa csökkenése rányában játszódnak le: da,v <, ll. dg,p < c) az egyensúly eltételét, lletve elyzetét s: A nyílt rendszer akkor van egyensúlyban, a da,v =, ll. dg,p = (a üggvénynek mnmuma van). 59 ERMODINAMIKAI POENCIÁLFÜGGVÉNYEK KAPCSOLAA pv H = U + pv U A = U - S G = H - S S S 6 1

III. A SZABADENALPIA A G szabadentalpát mként az U-t, H-t, S-t és A-t s értelmezzük tszta anyagokra, ezen belül elemekre (denícószerűen = ) és vegyületekre: ez a standard képződés szabadentalpa: Δ orm G θ. olyamatokra, ezen belül zka változásokra, pl. ázsátmenetnél: Δ trs G θ kéma reakcókra: ez a standard reakcószabadentalpa: Δ r G θ. 61 III. A SZABADENALPIA FÜGGVÉNY ULAJDONSÁGAI A G szabadentalpa kemelt gyakorlat jelentőségű termodnamka üggvény. Változata : Standard képződés szabadentalpa, Δ orm G θ : amkor a vegyület reerencaállapotú elemeből keletkezk. Ezek táblázatos értéket asználják a különböző reakcók standard reakcó-szabadentalpájának a számításáoz. Standard reakcó-szabadentalpa, Δ r G θ G H r r S r termékek G orm reaktánsok orm G 62 III. A SZABADENALPIA FÜGGVÉNY ULAJDONSÁGAI dg = Sd + Vdp a) növelésével G csökken (negatív előjel!), ennek arányosság tényezője a rendszer S entrópája (a p = állandó). G S p b) p növelésével G nő (poztív előjel), ennek arányosság tényezője a rendszer V térogata (a = áll.). G V p A két atást célszerűen külön-külön vzsgáljuk. 63 III. A SZABADENALPIA FÜGGVÉNY ULAJDONSÁGAI a) növelésével G csökken (negatív előjel!), ennek arányosság tényezője a rendszer S entrópája (a p = állandó). Az S legksebb a szlárd ázsban, nagyobb olyadékban, még nagyobb gázázsban. Ebből adódóan: növelésével a szabadentalpa legksebb mértékben a szlárd ázsban, erősebben a olyadékban és legerősebben a gázázsban csökken. Ezt tükrözk a G = () görbék meredeksége. dg = Sd + Vdp 64 III. A SZABADENALPIA FÜGGVÉNY ULAJDONSÁGAI b) p növelésével G nő (poztív előjel), ennek arányosság tényezője a rendszer V térogata (a = áll.). Gázázsban az anyag V térogata nagyobb, mnt olyadék ázsban, olyadékban (a legtöbb esetben) nagyobb, mnt szlárd ázsban. G növekedése a p nyomás atására gázázsban a legmeredekebb. Mvel az anyagok térogata szlárd és olyadék ázsban jóval ksebb, ezért p atására a két kondenzált ázs- ban G kevésbé meredeken nő. 65 dg = Sd + Vdp III. A SZABADENALPIA FÜGGVÉNY ULAJDONSÁGAI b) p növelésével G nő (poztív előjel), ennek arányosság tényezője a rendszer V térogata (a = áll.). Ennek pontosabb kejtése a G szabadentalpa nyomásüggése: dg = Sd + Vdp, amből (a állandó), dg = Vdp. Integrálunk: G G Vdp Kondenzált ázsban (V állandó): G G V dp G Vp Gázázsban (V állandó) [pl. a kéma potencál számításáoz s kell.]: nr p G G dp G nr ln p p 66 11

III. A SZABADENALPIA FÜGGVÉNY ULAJDONSÁGAI Az egyenletek llusztrálása: A tökéletes gáz szabadentalpaváltozása ( őmérsékleten) két nyomásérték között az ábrán látató zoterma alatt területtel egyenlő. III. A SZABADENALPIA FÜGGVÉNY ULAJDONSÁGAI Az egyenletek llusztrálása: Valamely szlárd vagy olyadék állapotú anyag két nyomásérték között szabadentalpa-különbsége egyenlő az ábrán látató téglalap területével. Gázázsban (V állandó) [pl. a kéma potencál számításáoz s kell.]: nr p G G dp G nr ln p p 67 Kondenzált ázsban (V állandó): G G V dp G Vp 68 12