6. Termodinamikai egyensúlyok és a folyamatok iránya

Hasonló dokumentumok
Termodinamikai bevezető

Hőtan I. főtétele tesztek

számot a Z felosztáshoz tartozó integrálközelít összegnek nevezzük. Jelöljük Z-vel a s i -számok leghosszabbikát.

A BELS ENERGIÁRA VONATKOZÓ ALAPVET EGYENLET. du=w+q

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

A termodinamika törvényei

TÖBBKOMPONENS RENDSZEREK FÁZISEGYENSÚLYAI II. Ismerjük fel, hogy többkomponens fázisegyensúlyokban a folyadék fázisnak kitüntetett szerepe van!

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

Követelmények: f - részvétel az előadások 67 %-án - 3 db érvényes ZH (min. 50%) - 4 elfogadott laborjegyzőkönyv

A termodinamika II. és III. főtétele

1. előadás. Gáztörvények. Fizika Biofizika I. 2015/2016. Kapcsolódó irodalom:

Műszaki hőtantermodinamika. Műszaki menedzsereknek. BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék

Kémiai egyensúly. Fizikai kémia előadások 6. Turányi Tamás ELTE Kémiai Intézet. ν j sztöchiometriai együttható

FIZIKAI KÉMIA I. Grofcsik András: A tavaszi félév tananyagának vázlata

VÁLASZOK A FIZKÉM I ALAPKÉRDÉSEKRE, KERESZTÉVFOLYAM 2006

Termodinamika (Hőtan)

1 Műszaki hőtan Termodinamika. Ellenőrző kérdések-02 1

Spontaneitás, entrópia

FIZIKAI KÉMIA IV. Lente Gábor

Gáztörvények tesztek

Gáztörvények tesztek. 2. Azonos fajtájú ideális gáz különböző mennyiségei töltenek ki két hőszigetelt tartályt. Az egyik

Termodinamika. Belső energia

Spontaneitás, entrópia

5 = nr. nrt V. p = p p T T. R p TISZTA FÁZISOK TERMODINAMIKAI FÜGGVÉNYEI IDEÁLIS GÁZOK. Állapotegyenletbl levezethet mennyiségek. Az állapotegyenlet:

Munka- és energiatermelés. Bányai István

Fizika feladatok. 1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből november 28. Hővezetés, hőterjedés sugárzással. Ideális gázok állapotegyenlete

Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly

A munkavégzés a rendszer és a környezete közötti energiacserének a D hőátadástól eltérő valamennyi más formája.

A van der Waals-gáz állapotegyenlete és a Joule Thompson-kísérlet Kiegészítés fizikus hallgatók számára

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

1. feladat Alkalmazzuk a mólhő meghatározását egy gázra. Izoterm és adiabatikus átalakulásokra a következőt kapjuk:

Belső energia, hőmennyiség, munka Hőtan főtételei

1. Mi a termodinamikai rendszer? Miben különbözik egymástól a nyitott és a zárt termodinamikai

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

Ideális gáz és reális gázok

2. (d) Hővezetési problémák II. főtétel - termoelektromosság

Légköri termodinamika

Műszaki termodinamika I. 2. előadás 0. főtétel, 1. főtétel, termodinamikai potenciálok, folyamatok

Digitális tananyag a fizika tanításához

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

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

1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből

Műszaki hőtan I. ellenőrző kérdések

Kérdések Fizika112. Mozgás leírása gyorsuló koordinátarendszerben, folyadékok mechanikája, hullámok, termodinamika, elektrosztatika

BME Energetika Tanszék

Termodinamika. 1. rész

Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly

EGYKOMPONENS RENDSZEREK: A FOLYADÉKFELÜLET HATÁSA

A gáz halmazállapot. A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011

1. feladat Összesen: 8 pont. 2. feladat Összesen: 11 pont. 3. feladat Összesen: 7 pont. 4. feladat Összesen: 14 pont

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

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

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

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

ELTE II. Fizikus, 2005/2006 I. félév KISÉRLETI FIZIKA Hıtan 9. (XI. 23)

I. kérdéscsoport: Termodinamikai modellek

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

71. A lineáris és térfogati hőtágulási tényező közötti összefüggés:

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

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

Maple: Deriváltak és a függvény nevezetes pontjai

MŰSZAKI HŐTAN I. 1. ZÁRTHELYI

Anyagvizsgálati módszerek Elektroanalitika. Anyagvizsgálati módszerek

Feladatlap X. osztály

5. Állapotegyenletek : Az ideális gáz állapotegyenlet és a van der Waals állapotegyenlet

2011/2012 tavaszi félév 2. óra. Tananyag:

Fázisátalakulások vizsgálata

TRANSZPORT FOLYAMATOK MODELLEZÉSE

A TételWiki wikiből 1 / 17

BME Energetika Tanszék

Fizika minta feladatsor

4. FELADATSOR ( )

A kémiai és az elektrokémiai potenciál

f = n - F ELTE II. Fizikus 2005/2006 I. félév

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

Anyagtudomány. Ötvözetek egyensúlyi diagramjai (állapotábrák)

1. Bevezetés. 1.1 A termodinamikai rendszer fogalma, típusai és jellemzése

2. Energodinamika értelmezése, főtételei, leírási módok

Hevesy György Kémiaverseny. 8. osztály. megyei döntő 2003.

Kémiai reakciók sebessége

Hőtan 2. feladatok és megoldások

Termokémia, termodinamika

Termokémia. Termokémia Dia 1 /55

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

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

Fizika belépő kérdések /Földtudományi alapszak I. Évfolyam II. félév/

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

A természetes folyamatok iránya (a folyamatok spontaneitása)

T I T - M T T. Hevesy György Kémiaverseny. A megyei forduló feladatlapja. 8. osztály. A versenyző jeligéje:... Megye:...

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

W = F s A munka származtatott, előjeles skalármennyiség.

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

Osztályozó vizsga anyagok. Fizika

2.11. A kétkomponensű rendszerek fázisegyensúlyai

A 2016/2017. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második forduló FIZIKA I. KATEGÓRIA. Javítási-értékelési útmutató

Euleri és Lagrange szemlélet, avagy a meteorológia deriváltjai

Fermi Dirac statisztika elemei

Szélsőérték feladatok megoldása

BME Energetika Tanszék

Taylor-polinomok. 1. Alapfeladatok április Feladat: Írjuk fel az f(x) = e 2x függvény másodfokú Maclaurinpolinomját!

Átírás:

6. ermodinamikai egyensúlyok és a folyamatok iránya A természetben végbemenő folyamatok kizárólagos termodinamikai hajtóereje az entróia növekedése. Minden makroszkoikusan észlelhető folyamatban a rendszer és a környezet együttes entróiája nő. Az alábbiakban a már ismert termodinamikai állaotfüggvények felhasználásával két további állaotfüggvényt definiálunk, amelyek alkalmasak lesznek zárt, de nem elszigetelt rendszerek esetében a folyamatok irányának és az egyensúly helyzetének megállaítására. Állandó hőmérsékleten és térfogaton végbemenő folyamatokat a szabadenergia (A) jellemzi. Állandó hőmérsékleten és nyomáson lejátszódó folyamatok leírására a szabadentalia (G) alkalmas. (,, illetve állandóságát tágan értelmezzük: Mivel állaotfüggvényekről van szó, csak az a fontos, hogy a folyamat elején és végén ugyanakkorák legyenek, a folyamat során változhatnak.) 6.1. A szabadenergia ekintsünk egy állandó térfogatú zárt rendszert, amely a környezettel termikus egyensúlyban van (6.1. ábra). 6.1. ábra. Állandó hőmérsékletű és térfogatú zárt rendszer A rendszer fala jó hővezető, így felveszi a környezet hőmérsékletét. a valamilyen lassú folyamat játszódik le a rendszerben (l. oldódás, kristályosodás, reakció), akkor a falon keresztül hőt vesz fel vagy hőt ad le úgy, hogy a végső hőmérséklet is lesz. Az egyetlen kölcsönhatás tehát a 1

környezettel a Q rev hőcsere. Ennek a modellnek megfelel l. egy bedugaszolt lombik a laboratóriumban. A termodinamika II. főtétele szerint a rendszerben csak olyan folyamat játszódhat le, amely a rendszer és a környezet együttes entróiáját növeli. Egyensúlyban az össz-entróiának maximuma van. + 0, (6.1) r k ahol r és k a rendszer, illetve a környezet entróiáját jelenti. A környezet entróia-változása kifejezhető az átadott hő és a hőmérséklet hányadosaként. Qrev k (6.2) A negatív előjelre azért van szükség, mert a hőt a rendszer szemontjából definiáltuk. elyettesítsük (6.2)-t (6.1)-be: Qrev r 0 (6.3) a az egyenlőtlenség mindkét oldalát (-)-vel megszorozzuk, akkor az értelme megváltozik: Q (6.4) rev r Mivel a térfogat állandó, Q rev U r. Most már elhagyjuk az r indexet, mert minden araméter a rendszerre vonatkozik. U (6.5) Definiálhatunk tehát egy olyan függvényt, amely állandó hőmérsékletű és térfogatú zárt rendszerben csak csökkenhet, és egyensúlyban éri el a minimumát. Ez a szabadenergia: A U (6.6) Állandó térfogat esetén nyilvánvalóan nincs térfogati munka. a az egyéb (elektromos, stb.) munkát is kizárjuk, a fentiek szerint zárt rendszerben az izoterm-izochor folyamatok irányát, ill. az egyensúlyt így fejezhetjük ki: A (nincs munkavégzés) (6.7). 2

Ugyanez infinitezimális változás esetén: da (nincs munkavégzés) (6.8), Állandó hőmérsékletű és térfogatú zárt rendszerben, ha egyéb munka sincs, a szabadenergia sontán folyamatban csökken, egyensúlyban minimuma van. A szabadenergia-függvényt elmholtz vezette be, ezért gyakran elmholtz-függvénynek vagy elmholtz-féle szabadenergiának nevezik a szakirodalomban. A szabadenergia teljes differenciálja: da du d d (6.9) elyettesítsük be a belső energia (5.9) teljes differenciálját (fundamentális egyenlet). da d + d d d (6.10) A d tag kiesik, mert ozitív és negatív előjellel is előfordul. da d d (6.11) A szabadenergiát munkafüggvénynek is nevezik (jelölése a német Arbeit munka szó kezdőbetűje), mert változása megadja, hogy izoterm folyamatban maximálisan (reverzíbilis folyamatban) mekkora munkát végez a rendszer. Ez a következőkéen látható be. Írjuk fel újra a teljes differenciálját úgy, hogy nem zárjuk ki az egyéb munka lehetőségét, de kössük ki a hőmérséklet állandóságát. Így a tag differenciálja d. da du d (6.12) A belső energia differenciálja, ha egyéb munka is lehet. du δ W + δq δw d (6.13) rev rev rev + δw rev most a teljes (térfogati + egyéb) munkát jelenti. (6.13)-at (6.12)-be helyettesítjük, és jelezzük, hogy izoterm folyamatról van szó: da δ (6.14) W rev 3

éges változás esetén: A W rev (6.15) ehát a szabadenergia változása izoterm reverzíbilis folyamatban egyenlő a munkával. Miért nevezzük szabad -nak a szabadenergiát? Fejezzük ki a (6.6) definíció-egyenletből a belső energiát. U A + (6.16) A jobb oldalon az első tag a belső energiának az a része, amely izoterm folyamatban munkává alakítható ( szabad energia), a második tag az a rész, amely nem alakítható munkává ( kötött energia). Ez a megfogalmazás azonban megtévesztő, mert izoterm folyamatban a végzett munka lehet nagyobb is (nagyobb negatív érték), mint a belső energia csökkenése, ha az entróia-változás ozitív. 6.2. A szabadentalia A szabadentalia definíciójához hasonló gondolatmenettel juthatunk el, mint a szabadenergia esetében. A 6.2. ábrán látható rendszer (dugattyús henger) a környezettel mechanikai ( r k ) és termikus egyensúlyban ( r k ) van 6.2. ábra. Állandó hőmérsékletű és nyomású zárt rendszer 4

a a rendszer térfogata változik, van térfogati munka. Az egyéb (felületi, elektromos, stb.) munka lehetőségét egyelőre zárjuk ki. Ugyanúgy, ahogy a szabadenergia esetében, a második főtételből indulunk ki: A rendszer és a környezet együttes entróiája csak nőhet, illetve egyensúlyban nem változik. + 0 (6.1) r k A hőmérséklet állandósága miatt a környezet entróia-változása: Qrev k (6.2) Ahol a hőt ismét a rendszer szemontjából definiáltuk. elyettesítsük (6.2)-t (6.1)-be: Qrev r 0 (6.3) a az egyenlőtlenség mindkét oldalát (-)-vel megszorozzuk, akkor az értelme megváltozik: Q (6.4) rev r Eddig ugyanazokat a lééseket végeztük el, mint a szabadenergia esetében. Most figyelembe vesszük, hogy a nyomás állandó. Így a leadott vagy felvett hő egyenlő a rendszer entaliaváltozásával. (6.17) Ennek alaján definiálunk egy olyan függvényt, amely állandó hőmérsékletű és nyomású zárt rendszerben csak csökkenhet, és egyensúlyban éri el a minimumát. Ez a szabadentalia: G (6.18) A szabadentaliát Gibbs-függvénynek is nevezzük, mert Willard Gibbs amerikai fizikokémikus definiálta először. Az angolszász irodalomban Gibbs free energy -nek, néha csak free energy -nek hívják, ezért a magyar fordításban néha tévesen szabadenergia néven szereel. Izoterm-izobár folyamatok irányát a szabadentalia csökkenése, az egyensúlyt a szabadentalia minimuma fejezi ki: 5

G (nincs egyéb munka) (6.19), dg (nincs egyéb munka) (6.20), Állandó hőmérsékletű és nyomású zárt rendszerben, ha nincs egyéb munka, a szabadentalia sontán folyamatban csökken, egyensúlyban minimuma van. Ez a termodinamika egyik legfontosabb tétele, amelyet gyakran fogunk alkalmazni a fázisegyensúlyok és a kémiai egyensúlyok tárgyalásakor. A szabadentalia és a szabadenergia a szorzatban különbözik egymástól (mint ahogy az entalia és a belső energia): G U + P A+ (6.21) Kéezzük a szabadentalia teljes differenciálját. asználjuk fel a (6.11) összefüggést. dg da + d( ) d d + d + d (6.22) dg d d (6.23) A (6.23) és a következő (6.24) összefüggés akkor érvényes, ha nincs egyéb munka. Állandó nyomáson és hőmérsékleten lejátszódó reverzíbilis folyamatban: dg, 0 (6.24) Reverzíbilis fázisátalakulás során nem változik a szabadentalia. Pl. 100 0 C-on és 1 bar nyomáson a víznek és a gőznek ugyanakkora a moláris szabadentaliája. A (6.23) és (6.24) kifejezések akkor érvényesek, ha egyéb munka nincs. Nézzük meg azt az esetet, amikor egyéb munkavégzés is lehet. Ekkor a belső energia teljes differenciálját így írhatjuk fel: du δ Wegyéb d + d (6.25) A szabadentalia és a belső energia kacsolata: G U + (6.26) Kéezzük G teljes differenciálját, és helyettesítsük be (6.25)-öt. 6

dg du + d + d d d δ Wegyéb d + d + d + d d d (6.27) A d és d tagok kiesnek, mert kétszer fordulnak elő ellentétes előjellel. Így állandó hőmérsékleten és nyomáson csak egy tag marad a jobb oldalon: dg δw, egyéb (6.27) éges változás esetében: G, W (6.28) egyéb Fogalmazzuk meg szavakban a fenti összefüggéseket: Izoterm, izobár reverzíbilis folyamatban a szabadentalia változása egyenlő az egyéb (nemtérfogati) munkával. Ennek a megállaításnak az elektrokémiában lesz nagy jelentősége. Galváncellákban kémiai energia alakul át elektromos munkává: G z FE, (6.29) r ahol r G a cellában lejátszódó reakció szabadentalia-változása (reakció-szabadentalia), E az elektromotoros erő (a galváncella sarkai között árammentes állaotban mért otenciál-különbség), F (96485 Coulomb) a Faraday-állandó, azaz egy mólnyi egyszeres töltésű ion töltése, z a töltésszám, amely azt fejezi ki, hány elektron megy át a cellában lejátszódó reakcióban. A negatív előjel arra utal, hogy a rendszer végzi a munkát. A szabadentalia segítségével definiálhatjuk a kémiai otenciált, amely az elegyek tárgyalása során lesz nélkülözhetetlen. A kémiai otenciál a szabadentalia anyagmennyiség szerinti arciális deriváltja. iszta anyagok esetében a kémiai otenciál (µ) megegyezik a G m moláris szabadentaliával. Ugyanis n mol anyag szabadentaliája ng m, így G µ n (6.30) iszta anyagok (egykomonensű rendszerek) esetében a kémiai otenciált és a moláris szabadentaliát szinonim kifejezésekként használhatjuk. Jól jegyezzük meg, hogy ez csak tiszta anyagokra érvényes. Mint azt a 8. fejezetben látni fogjuk, elegyekben a komonens kémiai otenciálja nem G m egyezik meg a tiszta komonens moláris szabadentaliájával. 7

6.3. A termodinamikai állaotfüggvények deriváltjai A négy energia-dimenziójú állaotfüggvényből arciális deriválással hasznos összefüggésekhez juthatunk. A második deriváltak közötti összefüggéseket Maxwell-relációknak nevezzük. Az állaotfüggvények teljes differenciáljából indulunk ki. Felhasználjuk azt a matematikai tételt, hogy a vegyes második deriváltak esetében az eredmény nem függ a deriválás sorrendjétől. Pl. 2 2 U U (6.31) Belső energia (U) A belső energia teljes differenciáljából indulunk ki: du d + d (5.9) Az első deriváltak: U, U (5.11) A második deriváltak: 2 U (6.32) Entalia ( U + ) Először fejezzük ki az entalia teljes differenciálját d du + d( ) d + d + d + d (6.32) d d + d (6.33) Az első deriváltak: 8

9, (6.34) A második deriváltak: (6.35) zabadenergia (A U ) A szabadenergia teljes differenciálja: d d da (6.11) Az első deriváltak: (6.36) A második deriváltak: (6.37) Ezzel a Maxwell-relációval kiszámíthatjuk az entróia térfogatfüggését állandó hőmérsékleten, ha mérjük állandó térfogaton a nyomás változását a hőmérséklettel (azaz a feszülési együtthatót): 6.38) zabadentalia (G ) A szabadentalia teljes differenciálja: d d dg (6.23) Az első deriváltak: (6.39) 2 A A, A 2 A 2 G G,

10 A második deriváltak: G 2 (6.40) Ezzel a Maxwell-relációval kiszámíthatjuk az entróia nyomásfüggését állandó hőmérsékleten, ha mérjük állandó nyomáson a térfogat változását a hőmérséklettel: 6.41) A fentiek alaján levezethetünk egy összefüggést, amellyel kiszámíthatjuk az entalia nyomásfüggését állandó hőmérsékleten. Induljunk ki az entalia és a szabadentalia kacsolatából: G + (6.42) Deriváljuk arciálisan ezt az összefüggést a nyomás szerint: (6.43) elyettesítsük be (6.39-et és (6.41)-et: (6.44) 6.1. élda. Bizonyítsuk be a (6.44) összefüggés segítségével, hogy tökéletes gázok entaliája nem függ a nyomástól. Megoldás. Fejezzük ki a térfogatot a tökéletesgáz-törvényből, majd deriváljuk szerint: R n R n, elyettesítsük be ezeket a kifejezéseket (6.44)-be. G + 0 R n R n