Termodinamikai bevezető

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

1 Műszaki hőtan Termodinamika. Ellenőrző kérdések-02 1

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

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

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

Spontaneitás, entrópia

Spontaneitás, entrópia

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

Műszaki hőtan I. ellenőrző kérdések

Munka- és energiatermelés. Bányai István

Termodinamika. Belső energia

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

6. Termodinamikai egyensúlyok és a folyamatok iránya

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

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

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

Termodinamika. Tóth Mónika

Hőtan I. főtétele tesztek

Termodinamika (Hőtan)

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

1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből

Termodinamika. Tóth Mónika

2. Energodinamika értelmezése, főtételei, leírási módok

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

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

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

Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly

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

Termokémia. Termokémia Dia 1 /55

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

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

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

MŰSZAKI TERMODINAMIKA 1. ÖSSZEGZŐ TANULMÁNYI TELJESÍTMÉNYÉRTÉKELÉS

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

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

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

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

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

Légköri termodinamika

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

Az energia bevezetése az iskolába. Készítette: Rimai Anasztázia

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

A termodinamika törvényei

Termokémia, termodinamika

A termodinamika alapfogalmai

Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly

Belső energia, hőmennyiség, munka Hőtan főtételei

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

Euleri és Lagrange szemlélet, avagy a meteorológia deriváltjai

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

Általános Kémia, 2008 tavasz

Gáztörvények tesztek

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

A TételWiki wikiből 1 / 17

A metabolizmus energetikája

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

71. A lineáris és térfogati hőtágulási tényező közötti összefüggés:

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

Minek kell a matematika? (bevezetés)

A termodinamika II. és III. főtétele

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

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

Termodinamika. 1. rész

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

Az előadás vázlata: Állapotjelzők: Állapotjelzők: Állapotjelzők: Állapotjelzők: nagy közepes kicsi. Hőmérséklet, T tapasztalat (hideg, meleg).

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

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

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

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

2. A termodinamika I. főtétele

Hőtan főtételei. (vázlat)

Ez mit jelent? Ahány könyv annyi interpretáció, annyi diszciplína kerül bele.

A kémiai és az elektrokémiai potenciál

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

A Fenntartható fejlődés fizikai korlátai. Késíztette: Rosta Zoltán Témavezető: Dr. Martinás Katalin Egyetemi Docens

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

Carnot körfolyamat ideális gázzal:

Evans-Searles fluktuációs tétel Crooks fluktuációs tétel Jarzynski egyenlőség

Klasszikus zika Termodinamika III.

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

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

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

Feladatlap X. osztály

Schifter Ferenc- Tolvaj Béla ÉPÜLETENERGETIKA. Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2011.

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

Termodinamikai rendszerek. Kalorimetria. Extenzív és Intenzív mennyiségek. Hőkapacitás, fajhő Mennyi a felvett hő?

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

Evans-Searles fluktuációs tétel

Anyagtudomány. Ötvözetek egyensúlyi diagramjai (állapotábrák)

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

MMK Auditori vizsga felkészítő előadás Hő és Áramlástan 2.

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

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

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

3. előadás Stabilitás

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

Termodinamika és statisztikus mechanika. Nagy, Károly

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

VÁLASZOK A FIZKÉM I ALAPKÉRDÉSEKRE, KERESZTÉVFOLYAM 2006

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

Átírás:

Termodinamikai bevezető Alapfogalmak Termodinamikai rendszer: Az univerzumnak az a részhalmaza, amit egy termodinamikai vizsgálat során vizsgálunk. Termodinamikai környezet: Az univerzumnak a rendszeren kívül eső része. Termodinamikai határfelület: Határfelület a termodinamikai rendszer és környezete között. Aszerint, hogy a határfelületeken keresztül mi cserélődhet ki a rendszer és környezete között, beszélhetünk nyílt, zárt és izolált rendszerről. Nyílt rendszer: A rendszer és környezete között mind anyag, mind energia kicserélődés lehetséges. Zárt rendszer: A rendszer és környezete között anyagkicserélődés nem lehetséges, de energiakicserélődés igen. Izolált rendszer: Sem anyag-, sem energiakicserélődés nem lehetséges a rendszer és környezete között. Állapotjelzők: A termodinamikai rendszer makroszkópikus állapotát jellemző mérhető vagy számítható paraméterek pl. nyomás, hőmérséklet, térfogat stb. Megkülönböztetünk extenzív és intenzív állapotjelzőket. Állapotegyenlet: Függvénykapcsolat az állapotjelzők között pl. ideális gázok állapotegyenlete: pv = nrt Termodinamikai egyensúly: A termodinamikai rendszer olyan állapota, ahol az állapotjelzők értékei nem változnak. Állapotfüggvények: A rendszer állapotát jellemző mennyiségek, amelyek értékét egyensúlyban az állapotjelzők értékei egyértelműen meghatározzák. Megváltozásukat egy folyamat kezdeti és végállapota egyértelmű- 1

en meghatározza. Extenzív mennyiségek. Állapotfüggvény pl. a belső energia, az entalpia stb. Folyamatfüggvény: A rendszer állapotváltozását jellemző mennyiségek, értékük nemcsak a folyamat kezdeti és végállapotától, hanem az átmenet útvonalától is függ. Folyamatfüggvény pl. a munka, a hő. Extenzív mennyiségek: Olyan mennyiségek, amelyek értéke függ az anyagmennyiségtől. Értéke egy több részrendszerből álló rendszerben a részrendszerekre vonatkozó értékek összege. Megváltozásuk matematikailag teljes differenciál. Intenzív mennyiségek: Olyan mennyiségek, amelyek értéke nem függ az anyagmennyiségtől. Értéke egy több részrendszerből álló rendszerben a részrendszerekre vonatkozó értékek anyagmennyiségekkel súlyozott átlagai. Reverzibilis állapotváltozás: Olyan folyamat, ami a változók infinitezimális megváltoztatásával visszafordítható. Reverzibilis folyamat során a rendszer bármely pillanatban egyensúlyban van. Irreverzibilis állapotváltozás: Nemreverzibilis folyamatok. Irreverzibilis folyamat során a rendszer vagy környezetének állapotában maradandó változás áll be. Izoterm állapotváltozás: Olyan állapotváltozás, amely során a rendszer hőmérséklete nem változik. Izobár állapotváltozás: Olyan állapotváltozás, amely során a rendszer nyomása nem változik. Olyan állapotváltozás, amely során a rend- Izokór (izoszter) állapotváltozás: szer térfogata nem változik. Adiabatikus állapotváltozás: Olyan állapotváltozás, amely során a rendszer nem ad le és nem vesz föl hőt. A termodinamika főtételei A termodinamika I. főtétele A termodinamika I. főtétele az energia megmaradását írja le, más szóval a különböző energiaformák (munka, hő) egyenértékűségét. Formálisan du = δq + δw, 2

ahol du a belső energia elemi megváltozása, δq a leadott vagy felvett elemi hőmennyiség és δw az elemi munka. Megegyezés szerint a munka és a hő előjele negatív, ha a rendszer végez munkát, vagy ad le hőt és pozitív a fordított esetben. Az első főtétel következménye, hogy nem szerkeszthető elsőfajú perpetuum mobile, azaz olyan gép, amely hőfelvétel nélkül képes munkát végezni. Munka A munka legáltalánosabban a δw = k X k dξ k alakban írható, ahol az X k mennyiségek az ún. termodinamikai erőkomponensek, a ξ k mennyiségek pedig az ún. általános koordináták. Vegyük példának a térfogati munka esetét. Tekintsük az 1. ábrán látható hőszigetelt dugattyút. A dugattyú keresztmetszetének területét jelölje A, a dugattyú belsejében lévő gáz térfogatát V, a nyomását p in. A dugattyún kívüli térben a nyomás p ex. Most reverzibilis folyamatban engedjük a dugattyúban lévő gázt kitágulni. Ekkor a folyamat reverzibilitása miatt a dugattyú minden időpillanatban egyensúlyban lesz, tehát p ex = p in. A reverzibilis tágulás során a dugattyú dx-nyi távolságra mozdult el. Ez azt jelenti, hogy a dugattyúban lévő gáz térfogata dv = A dx mennyiséggel változik. A dugattyú által végzett elemi munka δw = F dx szerint függ a dx elmozdulástól, ahol F a dugattyú által a külső nyomás ellenében kifejtett erő (a negatív előjel jelzi, hogy a dugattyú fejt ki erőt). Mivel a nyomás ezért p ex = p in = F A, δw = p in A dx = p in dv. Ez tehát a dugattyú által végzett térfogati munka. Ha a dugattyún végzünk munkát, akkor dx negatív lesz és ekkor δw > 0. Állandó térfogaton: dv = 0 3

tehát 1. ábra. du = δq tehát a felvett hő a belső energia növelésére fordítódik. Állandó nyomáson: dp = 0 Vezessünk be egy új mennyiséget: H = U + pv. Ezt az új mennyiséget entalpiának nevezzük és H-val jelöljük. Az entalpia a belső energiához hasonlóan állapotfüggvény. Izobár folyamat során az entalpia megváltozása dh = du + p dv + V dp = δq + p dv p dv = δq, tehát a felvett hő a belső energia növelésére fordítódik. A termodinamika II. főtétele A termodinamika I. főtétele egy komoly korlátot állít föl a lehetséges folyamatok körére. Nem mehet végbe olyan folyamat, ami munkát végez, anélkül, hogy a munkavégzésre fölhasznált energiát valahonnan ne pótolná, pl. hőfelvétellel. Egy másik példa: álljon a vizsgált izolált rendszer két részrendszerből, amelyek hőmérséklete T 1 és T 2, és legyen T 1 > T 2. Egy folyamat során, amely során munkavégzés nem történik, az első részrendszer által felvett vagy leadott hő legyen δq 1, a második részrendszer által felvett vagy leadott hő legyen δq 2. Az első főtétel azt írja csak elő számunkra, hogy δq 1 = δq 2, de arra vonatkozóan nem ad iránymutatást, hogy a hőáramlás milyen irányú. 4

Erre a termodinamika II. főtétele ad választ, ami Clausius nyomán egyszerűen úgy fogalmazható meg, hogy: hő magától csak melegebb helyről hidegebb helyre megy át. A fenti példában tehát δq 1 < 0 és δq 2 > 0. Vezessük be a ds = δq rev T egyenlettel az S mennyiséget, amit entrópiának nevezünk, ahol δq rev reverzibilis folyamatban leadott vagy felvett elemi hőmennyiség és T a hőmérséklet. Az entrópia állapotfüggvény, tehát az A B állapotváltozás során az entrópia teljes megváltozása S = B A ds = S (B) S (A). Nyilvánvaló, hogy reverzibilis körfolyamatban az entrópia teljes megváltozása nulla. Formálisan a II. főtétel a ds δq T alakban írható, ahol az egyenlőség a reverzibilis folyamatra vonatkozik. A második főtétel következménye, hogy nem szerkeszthető másodfajú perpetuum mobile, azaz olyan gép, amelyik egy hőtartályból hőt von el és azt teljes egészében munkává alakítja. Tekintsünk most egy állandó térfogatú izolált rendszert. Az első főtétel szerint du = δw + δq. Ha csak térfogati munkavégzés történik, akkor és a második főtételből következően Ez alapján az entrópia megváltozása δq = p dv, du p dv + T ds. ds 1 T du p T dv Állandó térfogatú izolált rendszerben dv = 0 és du = 0, tehát ds 0. 5

Ez azt jelenti, hogy a rendszer entrópiája az egyensúlyi állapot eléréséig növekszik, tehát az egyensúlyi állapotot az entrópia maximuma jellemzi. A biológiai rendszerek azonban nem izolált rendszerek, de a hőmérséklet jó közelítéssel állandónak tekinthető. Szükségünk volna tehát egy olyan mennyiségre, amelynek valamilyen szélső értéke az állandó hőmérsékletű rendszerek egyensúlyi állapotát jellemzi. Legyen most a hőmérséklet és a térfogat is állandó és vezessük be a F = U T S szabadenergiát. A szabadenergia szintén állapotfüggvény. A szabadenergia megváltozása df = du S dt T S T ds p dv S dt T ds = p dv S dt. Mivel a hőmérséklet és a térfogat állandó, ezért df 0. Állandó hőmérsékletű és térfogatú rendszerben tehát a szabadenergia az egyensúly eléréséig csökken, és az egyensúlyi állapotban éri el a minimumát. Legyen most a nyomás állandó. Ekkor vezessük be a G = H T S = U + pv T S szabadentalpiát (Gibbs-féle szabadenergia). A szabadentalpia is állapotfüggvény. A szabadentalpia megváltozása Mivel dt = 0 és dp = 0, ezért dg = du + p dv + V dp T ds S dt T ds p dv + p dv + V dp T ds S dt. dg 0. Állandó hőmérsékletű és nyomású rendszerben tehát a szabadentalpia az egyensúly eléréséig csökken, és az egyensúlyi állapotban éri el a minimumát. Ha most a térfogati munkán túl egyéb munkavégzést is megengedünk, akkor du p dv + T ds + δw e, ahol δw e a nem térfogati munkát jelöli. Ilyen esetben állandó hőmérsékleten és nyomáson dg δw e. 6

Ha a rendszer végez munkát, akkor δw e 0 és ebből következően dg 0, tehát dg a rendszer által végezhető maximális egyéb tehát nem térfogati munka. Biológiai rendszerekben a hőmérséklet mellett általában a nyomás állandó, ezért a biológiai rendszerek egyensúlyi állapota ott van, ahol a szabadentalpia értéke minimális. Kémiai potenciál Az eddigiekben feltételeztük, hogy a rendszerünkben az anyagmennyiség változatlan. Most tekintsük egy izolált rendszer két homogén nyílt részrendszerét, A-t és B-t. A nyílt rendszer definíciója szerint a két részrendszer között végbemehet anyagkicserélődés. Legyen a két részrendszer a hőmérséklet és a nyomás szempontjából egyensúlyban, azaz és T = T A = T B, dt = dt A = dt B = 0 p = p A = p B, dp = dp A = dp B = 0. A két részrendszer szabadentalpiájának megváltozása reverzibilis folyamatban dg A = V A dp A S A dt A + µ A dn A és dg B V B dp A S A dt B + µ B dn B, ahol µ A, n A, µ B és n B rendre az A és a B részrendszerben lévő anyag kémiai potenciálja és anyagmennyisége. A teljes rendszer szabadentalpiájának megváltozása Egyensúlyban A teljes rendszer izoláltsága miatt dg = dg A + dg B = µ A dn A + µ B dn B. dg = µ A dn A + µ B dn B = 0. dn A = dn B, tehát és (µ A µ B ) dn A = (µ A µ B ) dn B = 0 µ A = µ B. 7

Egyensúlyban tehát a két részrendszer kémiai potenciálja megegyezik. A kémiai potenciál még egy nagyon fontos tulajdonságára kell felhívni a figyelmet, ami a definíciójának is tekinthető. Írjuk fel ismét a szabadenentalpia megváltozásának egyenletét: dg = V dp S dt + µ dn. Mivel a szabadentalpia állapotfüggvény és így teljes differenciál, a megváltozása a ( ) ( ) ( ) G G G dg = dp + dt + dn p T n T,n p,n T,p alakban írható. Ebből már egyszerűen következik, hogy µ = G n, azaz a kémiai potenciál parciális moláris szabadentalpia. 8