2. Energodinamika értelmezése, főtételei, leírási módok

Hasonló dokumentumok
Termodinamikai bevezető

1 Műszaki hőtan Termodinamika. Ellenőrző kérdések-02 1

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

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

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

Műszaki hőtan I. ellenőrző kérdések

Termodinamika. Belső energia

Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly

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

Spontaneitás, entrópia

Termodinamika (Hőtan)

Spontaneitás, entrópia

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

Munka- és energiatermelés. Bányai István

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

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 kanonikus sokaság. :a hőtartály energiája

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

Légköri termodinamika

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

Belső energia, hőmennyiség, munka Hőtan főtételei

Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly

A metabolizmus energetikája

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

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

Anyagtudomány. Ötvözetek egyensúlyi diagramjai (állapotábrák)

Hőtan I. főtétele tesztek

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

4. Jellegzetes állapotváltozások; leírásuk: p-v, T-S, H-S diagramokban

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

összetevője változatlan marad, a falra merőleges összetevő iránya ellenkezőjére változik, miközben nagysága ugyanakkora marad.

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

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

Termokémia. Termokémia Dia 1 /55

A kémiai és az elektrokémiai potenciál

Minek kell a matematika? (bevezetés)

Dinamikus modellek felállítása mérnöki alapelvek segítségével

MŰSZAKI TERMODINAMIKA 1. ÖSSZEGZŐ TANULMÁNYI TELJESÍTMÉNYÉRTÉKELÉS

A TERMODINAMIKA II., III. ÉS IV. AXIÓMÁJA. A termodinamika alapproblémája

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

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

Fizika. Fizika. Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK március 20.

6. Termodinamikai egyensúlyok és a folyamatok iránya

Termokémia, termodinamika

Fermi Dirac statisztika elemei

Hajdú Angéla

Kvantum termodinamika

Fizika. Fizika. Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK március 6.

Reakciókinetika. Általános Kémia, kinetika Dia: 1 /53

Előszó.. Bevezetés. 1. A fizikai megismerés alapjai Tér is idő. Hosszúság- és időmérés.

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

Azonos és egymással nem kölcsönható részecskékből álló kvantumos rendszer makrókanónikus sokaságban.

Az entrópia statisztikus értelmezése

MŰSZAKI HŐTAN I. 1. ZÁRTHELYI. Termodinamika. Név: Azonosító: Helyszám: Munkaidő: 80 perc I. 50 II. 50 ÖSSZ.: 100. Javította: Képzési kódja:

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

A termodinamika törvényei

Mivel foglalkozik a hőtan?

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

10/21/11. Miért potenciálfüggvények? (Honnan kapta a nevét?) Termodinamikai potenciálfüggvények. Belső energia. Entalpia

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

Az energia bevezetése az iskolába. Készítette: Rimai Anasztázia

Termodinamika. Tóth Mónika

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

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

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

1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből

Digitális tananyag a fizika tanításához

A természetes folyamatok iránya (a folyamatok spontaneitása)

Visy Csaba Kredit 4 Heti óraszám 3 típus AJÁNLOTT IRODALOM. P. W. Atkins: Fizikai kémia I.

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

Evans-Searles fluktuációs tétel

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

A Klasszikus Statisztikus Fizika Alapjai. Néda Zoltán, Tyukodi Botond és Kacsó Ágota - Enikő

A METABOLIZMUS ENERGETIKÁJA

A METABOLIZMUS ENERGETIKÁJA

Axiomatikus felépítés az axiómák megalapozottságát a felépített elmélet teljesítképessége igazolja majd!

Fizikai kémia 2 Reakciókinetika házi feladatok 2016 ősz

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

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

2. A termodinamika I. főtétele

Kinetika. Általános Kémia, kinetika Dia: 1 /53

Kémiai reakciók sebessége

Fizika feladatok. 1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből december 8. Hővezetés, hőterjedés sugárzással

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

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

Tárgymutató. dinamika, 5 dinamikai rendszer, 4 végtelen sok állapotú, dinamikai törvény, 5 dinamikai törvények, 12 divergencia,

azonos sikban fekszik. A vezetőhurok ellenállása 2 Ω. Számítsuk ki a hurok teljes 4.1. ábra ábra

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

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

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

Osztályozó vizsga anyagok. Fizika

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

A mechanika alapjai. A pontszerű testek dinamikája

Elméleti fizika IV. Termodinamika és statisztikus fizika. Hraskó Péter. Pécs, 1999.

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

Művelettan 3 fejezete

Euleri és Lagrange szemlélet, avagy a meteorológia deriváltjai

Általános Kémia, 2008 tavasz

Az anyagi rendszer fogalma, csoportosítása

Termodinamika. Tóth Mónika

Átírás:

Energetika 7 2. Energodinamika értelmezése, főtételei, leírási módok Az energia fogalmának kialakulása történetileg a munkavégzés definícióához kapcsolódik. Kezdetben az energiát a munkavégző képességgel azonosították, később a hőmennyiséget is hozzávették. A középiskolai tanulmányok során ezen nem is nagyon szokás túllépni. A világban tapasztalható egyre több elenség megmagyarázáshoz azonban a fogalom árnyaltabb lett, tartalmilag bővült. Jelenlegi ismereteink alapán az energia olyan, másra vissza nem vezethető, megmaradó, állapotellemző skalármennyiség, ami a gravitációs tér forrása. A munka: rendszer határfelületén fellépő energiatranszport-mennyiség, amelyet a kölcsönhatáshoz tartozó és a hőmérséklettől különböző intenzív állapotellemző inhomogenitása, a hatóerő hoz létre. A munka mindig impulzus átadást is elent. A hő: a rendszer határfelületén fellépő nyugalmi energiatranszport nélküli energiatranszport-mennyiség, melyet a hőmérséklet-eloszlás inhomogenitása, mint hatóerő hoz létre. Az energia megmaradása egy fontos empirikus tétel, amit korábban számos esetben megkíséreltek cáfolni, de főleg a XX. századi vagy úabb kísérletek bizonyították igazát. Ugyanis az energiamérleg látszólagos hiánya kivétel nélkül valamilyen ú elenség vagy részecske felfedezéséhez vezetett, mellyel az energiamérleg úra egyensúlyba került. Az energodinamika a valóságban előforduló rendszerek energia szempontú leírására törekszik. Ilyen értelemben a klasszikus termodinamika kiteresztésének tekinthető nem csak gáz halmazállapotú rendszerek leírására. Energodinamikai rendszerek bármilyen halmazállapotúak lehetnek, és a rendszerben egyideűleg többnyire nem csak egyetlen kölcsönhatás, folyamat van. Mindezek ellenére a rendszer és környezetének leírására ól használhatóak a klasszikus termodinamika megállapításai, összefüggései. Így például a klasszikus termodinamika főtételei továbbra is érvényesek (a megfelelő, kiteresztett módon értelmezve). Budó Ágoston: Kísérleti fizika I., Tankönykiadó, Budapest, 978, pp. 385-386

8 Energodinamika értelmezése, főtételei, leírási módok 2. Az I. főtétel Az első főtétel az energiamegmaradás törvényének egyik megfogalmazása. Egy rendszer a környezetével kétféle módon cserélhet energiát. A rendezett módon történő energiacsere a munkavégzés, a rendezetlen módú a hőcsere. A szokásos alakban 2,3 : U = W + Q (2.) ahol U a rendszer belső energiáának megváltozása, W a munka, Q a hőcsere. A főtétel ebben az alakában akkor érvényes, ha a rendszerben nem átszódik le kémiai reakció. A rendszer szempontából pozitív a hőmennyiség, ha az a rendszerbe áramlik be, és negatív, ha a rendszerből áramlik kifelé. A rendszer szempontából pozitív a munka, ha azt a rendszeren végzik külső erők (a rendszer így energiát nyer), és negatív, ha a rendszer végez munkát a környezetén (a rendszer így energiát veszít). Az I. főtétel differenciális alaka: du = dw + dq (2.2) alkalmas arra, hogy bármilyen lezaló folyamatot le lehessen írni vele. A belső energia infinitezimális alaka (du) úgynevezett teles differenciál. Ez matematikai megfogalmazása annak, hogy a belső energia állapotfüggvény, azaz alkalmas a rendszer teles ellemzésére valamilyen szempont szerint. A belső energia csak az egyik a hasonló állapotfüggvények közül, amelyek segítségével a rendszer leírható. Ezeket az állapotfüggvényeket termodinamikai potenciáloknak is nevezik 4,5. A többi termodinamikai potenciál: F = U TS (2.3) a Helmholtz-féle szabad energia (T a termodinamikai hőmérséklet, S az entrópia); H = U + pv (2.4) az entalpia régebbi irodalmakban az entalpia ele gyakran I (p a nyomás, V a térfogat); G = U + pv TS (2.5) a szabad entalpia vagy Gibbs-potenciál. 2 Budó Ágoston: Kísérleti fizika I., Tankönykiadó, Budapest, 978, pp. 386-387 3 Litz József: Fizika II., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2005, pp. 09 4 Litz József: Fizika II., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2005, pp. 59-64 5 Budó Ágoston: Kísérleti fizika I., Tankönykiadó, Budapest, 978, pp. 39, 40-4

Energetika 9 2.2 A II. főtétel A második főtétel a folyamatok irányára vonatkozóan tartalmaz megállapításokat. Vannak reverzibilis (megfordítható) és irreverzibilis (nem megfordítható) folyamatok. A második főtétel abban segít, hogy egy adott folyamatról megállapíthassuk, hogy az reverzibilis vagy irreverzibilis-e. A főtétel matematikai megfogalmazása az entrópia segítségével zárt rendszerre 6, 7 : S 0 (2.6) Az entrópia-változás kiszámítása, amíg a rendszer az állapotból elut a 2 állapotba a következő képlet segítségével lehetséges: 2 dq S = (2.7) T A makroszkópikus elenséges tanulmányozásával az entrópia értéke csak egy additív konstans ereéig határozható meg, hiszen a folyamatok során csupán az entrópia-változás számítható ki. Az entrópia abszolút értékének meghatározásához és az entrópia mélyebb elentéséhez a mikroszkópikus értelmezés szükséges. A termodinamikai valószínűség (W) 8, 9 egy adott makroállapothoz tartozó mikroállapotok száma. Ennek illusztrálásához tekintsük a következő példát: tekintsünk egy fallal elfelezett tartályt, amiben összesen 4 molekula található. A falon akkora nyílás található, hogy a molekulák szabadon átárhatnak. Ekkor a következő állapotok lehetségesek: makroállapot molekulák száma a bal térfélen molekulák száma a obb térfélen A 4 0 B 3 C 2 2 D 3 E 0 4 Ez összesen 5 kívülről látható makroállapot. Az A állapot csak egyféleképpen valósítható meg: ha az összes molekula a bal térfélen van. Az A állapot termodinamikai valószínűsége. A B állapothoz akkor utunk, ha a 4 molekulából 6 Budó Ágoston: Kísérleti fizika I., Tankönykiadó, Budapest, 978, pp. 407 7 Litz József: Fizika II., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2005, pp. 57 8 Budó Ágoston: Kísérleti fizika I., Tankönykiadó, Budapest, 978, pp. 434-438 9 Litz József: Fizika II., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2005, pp. 65-7

0 Energodinamika értelmezése, főtételei, leírási módok egy a obb térfélre átkerül. A molekulák egymástól megkülönböztethetetlenek, így a 4 közül akármelyik lehet. Matematikailag megfogalmazva a 4 elemű halmazból egyet kell kiválasztani. Ez 4 4! = = 4!(4 )! féleképpen lehetséges. Ez a B állapot termodinamikai valószínűsége. Szimmetrikus volta miatt ugyanennyi a termodinamikai valószínűsége a D állapotnak is. A C állapot termodinamikai valószínűsége hasonló meggondolás alapán: 4 4! = = 6 2 2!(4 2)! makroállapot molekulák száma a bal térfélen molekulák száma a obb térfélen mikroállapotok száma termodinamikai valószínűség W A 4 0 B 3 4 4 C 2 2 6 6 D 3 4 4 E 0 4 A mikroállapotok telesen azonos eséllyel következnek be, de látható, hogy az egyenletes eloszlás (2-2) másfélszer gyakrabban fordul elő, mint a (3-) eloszlás, és hatszor gyakrabban, mint az, hogy az összes molekula például a bal térfélen van. A termodinamikai valószínűség és az entrópia közötti összefüggést Boltzmann mutatta ki: S = k lnw (2.8) ahol k =,38065 0-23 J/K a Boltzmann-állandó. Az entrópia-változás: W2 S = S2 S = k ln W2 k lnw = k ln W (2.9) ahol W 2 a 2 állapot termodinamikai valószínűsége, W az állapoté. Számítsuk ki a következő példát: keverünk össze g 0 o C-os és g o C-os vizet úgy, hogy közben a környezetétől szigetelük el a rendszert. Eredményül 2 g 0,5 o C-os vizet kapunk. Az egyszerűség kedvéért most tekintsük az entrópia

Energetika szempontából viszonyítási pontnak a 0 o C-os hőmérsékletet (T 0 = 273,5 K). Ekkor adott mennyiségű, T hőmérsékletű víz entrópiáa: T T cmdt dt T T S = = cm = cm[ ln T ] T = cmln (2.0) 0 T T T T0 T0 0 ahol c a víz fahőe (c = 483,2 J/(kg K), m a víz tömege. Az összekeverés előtt a rendszer entrópiáa: 273,5 K 274,5 K S = c g ln + c g ln = 0,05287J / K 273,5 K 273,5 K Az összekeverés után: 273,65 K S = c 2 g ln = 0,0530J / K 273,5 K A különbség: S = 0,00004J / K 7 4,4 0 A (2.9) egyenlet alapán az összekeveredés körülbelül 0 -szer valószínűbb, mint az, hogy a keverék spontán szétválon úra az eredeti 0 és o C-os vízre. Ez hatalmas szám; így a spontán szétválás nem következik be. A zárt rendszerre a (2.6) egyenlettel megfogalmazott entrópia növekedésének (nem csökkenésének) elve tuladonképpen azt monda ki, hogy a zárt rendszer mindig a nagyobb valószínűségű állapot felé halad és egyensúlyi állapota a legnagyobb valószínűségű állapot. 2.3 A III. főtétel A harmadik főtétel legegyszerűbb megfogalmazása az, hogy a 0 K hőmérséklet nem érhető el 0,. (Tetszőleges mértékben persze megközelíthető.) Matematikailag ez alábbi két képlettel egyenértékű: lim S = 0 (2.) vagy T 0K lim c = 0 T 0K (2.2) 0 Budó Ágoston: Kísérleti fizika I., Tankönykiadó, Budapest, 978, pp. 43-45 Litz József: Fizika II., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2005, pp. 72-74

2 Energodinamika értelmezése, főtételei, leírási módok Utóbbi képlet azt feezi ki, hogy minél obban le van hűtve az adott rendszer, annál érzékenyebb; azaz ugyanakkora hőmennyiség hatására a hőmérséklete annál többet emelkedik, minél alacsonyabb volt eredetileg. 2.4 A fundamentális egyenlet Ha a belső energiát felíruk az entrópia (S), a térfogat (V) és az anyag mennyiségét megadó mólszám (n) függvényeként: U = U ( S, V, n) (2.3) akkor a homogén függvényekre vonatkozó matematikai meggondolások alapán a belső energiára az úgynevezett Euler-egyenletet kapuk meg: U = TS pv + µ n (2.4) ahol µ az anyag kémiai potenciála. Ha a rendszerben a folyamat során kémiai reakció nem átszódik le, akkor ez utóbbi tagtól el is lehet tekinteni. Általános esetben, ha többféle anyagi minőség található a rendszerben (legyen darab komponens), akkor az Euler-egyenlet a következő alakú lesz: U = TS pv + Az I. főtétel infinitezimális alakát felírva: du = dq + dw + µ in i (2.5) µ idn i (2.6) Infinitezimális mennyiségű hő és munka nem változtata meg a hőmérsékletet és a nyomást észrevehető mértékben. Ezért dq = TdS dw = pdv (2.7) A (2.6) egyenlet a következő alakra módosul: du = TdS pdv + µ idn i (2.8) Ez a fundamentális egyenlet a belső energiára vonatkozóan 2. A fundamentális egyenletet megadható a többi termodinamikai potenciálra is. Ezek a következő alakban írhatók fel: df = SdT pdv + µ idn i (2.9) 2 Litz József: Fizika II., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2005, pp. 58

Energetika 3 dh ( di ) = TdS + Vdp + µ idn i (2.20) dg = SdT + Vdp + µ idn i (2.2) 2.5 Gibbs-Duhem reláció A szabad entalpia (2.5) egyenlettel adott alakából és a (2.5) Euler-egyenletből következik: G = µ in i (2.22) azaz a Gibbs-potenciál a rendszerben lévő kémiai potenciálok összessége. A (2.22) egyenletet formálisan differenciálva a következőt kapuk: dg = µ dn + n dµ (2.23) Ebből kivonva a (2.2) egyenletet kapuk a Gibbs-Duhem relációt 3 : i i i i n dµ = SdT Vdp (2.24) i i + Ez a reláció kapcsolatot teremt a rendszer intenzív paraméterei között. Egykomponensű rendszer estén A Gibbs-Duhem reláció értelmében csak két független paraméter lehet; azaz a rendszer állapota ellemezhető csupán két paraméter segítségével (például nyomás és térfogat). 3 Litz József: Fizika II., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2005, pp. 62-63

4 Energodinamika értelmezése, főtételei, leírási módok Kérdéstár:. Mekkora az entrópia változása kg 0 o C-os égnek, miközben vízzé olvad. (L víz = 332,5 kj/kg) 2. Egy adott makroállapothoz tartozó mikroállapotok számát -nak/nek nevezzük. 3. Az a valóságban előforduló rendszerek energia szempontú leírására törekszik. 4. A munka a. energiatranszport-mennyiség b. magától végbemegy c. az energia egyik formáa d. impulzus átadást is elent e. megmarad f. a hőmérséklet-különbség okozza 5. A hő a. energiatranszport-mennyiség b. magától végbemegy c. az energia egyik formáa d. impulzus átadást is elent e. megmarad f. a hőmérséklet inhomogenitása okozza 6. Az energia a. nem megmaradó vektormennyiség b. megmaradó vektormennyiség c. nem megmaradó skalármennyiség d. megmaradó skalármennyiség e. hőmennyiség

Energetika 5 7. A Helmholtz-féle szabad energia a. a belső energia, a hőmérséklet és a nyomás függvénye b. a belső energia, a térfogat és a nyomás függvénye c. a belső energia, a hőmérséklet és az entrópia függvénye d. a belső energia, a hőmérséklet és a térfogat függvénye e. a belső energia, az entrópia és a nyomás függvénye 8. Az entalpia a. a belső energia, a hőmérséklet és a nyomás függvénye b. a belső energia, a térfogat és a nyomás függvénye c. a belső energia, a hőmérséklet és az entrópia függvénye d. a belső energia, a hőmérséklet és a térfogat függvénye e. a belső energia, az entrópia és a nyomás függvénye 9. A második főtétel a. a folyamatok energiamérlegét íra le b. a folyamatok hőmérsékletét ada meg c. a folyamatok irányát ada meg d. a folyamatok munkáát ada meg e. a folyamatok ideét ada meg 0. Az első főtétel a. a folyamatok energiamérlegét íra le b. a folyamatok hőmérsékletét ada meg c. a folyamatok irányát ada meg d. a folyamatok munkáát ada meg e. a folyamatok ideét ada meg

6 Energodinamika értelmezése, főtételei, leírási módok