Hőtan Gáztörvények Mivel foglalkozik a hőtan? A hőtan a rendszerek hőmérsékletével, munkavégzésével, és energiájával foglalkozik. A rendszerek stabilitása áll a fókuszpontjában. Képes megválaszolni a kérdést: mi fog történni a rendszerekkel?. 120 o C-on és 1 atmoszféra nyomásonn stabil a víz? 2 1
Miért pont a gáz? Gáz tulajdonságok: Sokkalta kisebb sűrűség a folyadékokhoz, és szilárd anyagokhoz képest; Könnyen beletehető különféle alakú tartályokba; Az anyag legösszenyomhatóbb állapota. Így a gáz-rendszerek könnyen munka végzésre foghatók. W P 3 25 0 C-on, és 1 atmoszféra nyomáson gáz állapotú elemek 4 2
Nyomás és hőmérséklet Nyomás P = Erő Nyomott felület Gáznyomás mérésére használt manométerek 5 Hőmérséklet Forróság vagy hidegség relatív mérése, kimutatása. A rendszerekben levő molekuláris mozgásokat tükrözi. Hőmérsékleti skála 6 3
Abszolút nulla hőmérséklet Univerzumunk legalacsonyabb hőmérséklete T=0 K = -273.15 o C T Kelvin T Celsius 273.15 William Thomson, Első Kelvin Báró (1824-1907) 7 Fázis diagram P-T (nyomás-hőmérséklet diagram víz esetén) 8 4
Gáz törvények Boyle törvénye kimondja, hogy fix anyagmennyiségű gáz nyomása konstans hőmérsékleten, fordítva arányos a gáz térfogatával. Robert Boyle (1627-1691) 1 P P P 1 1 2 2 Konstans hőmérsékleten levő gáz 2,5 L térfogatot foglal el, 3 atm nyomáson. Ha a nyomás 6 atm-re nő, mire változik a térfogat? 9 Gáz törvények Charles & Gay-Lussac Törvénye kimondja, hogy konstans nyomáson tartott gáz térfogata egyenesen arányos abszolút hőmérsékletével (Kelvinben megadva) Jacques Charles (1746-1823) T T T 1 2 1 2-10 o C-on egy lufi térfogata 5 L. Mekkora less a térfogata, ha átvisszük egy 35 o C-os szobába? 10 5
Gáz törvények Avogadro törvénye kimondja, hogy állandó hőmérsékleten és nyomáson, a gáz térfogata egyenesen arányos a gázban levő mólok számával. Amedeo Avogadro (1776-1856) n n n 1 2 1 2 5.0 L gázról ismert, hogy 0.9 mól-t tartalmaz. Ha a gáz mennyiségét 1.8 mól-ra növeljük, mi lesz az új térfogat? (a hőmérsékletet és a nyomást nem változtatjuk) 11 Az ideális gáz-törvény 1 P T n Boyle törvénye Charles törvénye Avogadro törvénye nt P nt R, R 8.314 J/mol/K P P n R T Számolja ki 1 mól, 25 o C-os, 1 atmoszferikus nyomású gáz térfogatát! 12 6
Kérdés Nátrium-peroxid (Na 2 O 2 ) használható arra, hogy űrhajók légkészletéből szén-dioxidot távolítsunk el (és oxigént juttasunk be). 2Na 2 O 2 (sz) + 2CO 2 (g) 2Na 2 CO 3 (sz) + O 2 (g) 1 kg Na 2 O 2 -vel mekkora térfogatú (literekben) CO 2 reagál el (standard hőmérsékleten és nyomáson)? 13 Az ideális gáz törvény Milyen elvárásaink vannak ideális gázzal kapcsolatban? Maga a gázban levő molekulák térfogata elhanyagolható A gáz-molekulák közt nincsenek vonzó és taszító erők A gáz-molekulák egymással, vagy a tároló edény falával való ütközése teljesen rugalmas, nem származik belőle energia veszteség. Ideális, és valós gáz közti különbség Ideális Gáz alós Gáz Igaz P=nRT Mindig Csak nagyon alacsony P, és magas T esetén Molekuláris térfogat Nulla Kicsi, de nem nulla Molekuláris kölcsönhatások Nulla Kicsi Molekuláris ütközés Nulla Kicsi 14 7
Gáz keverék Dalton parciális nyomás törvénye kimondja, hogy gáz-keverék teljes nyomása megegyezik a komponensek álltali parciális nyomások összegével: P teljes = P komponens P teljes = n teljes R T = n komponens R T = n komponens R T = = P komponens 15 Dalton parciális nyomás törvénye P A = n A n A + n B P teljes P B = n B n A + n B P teljes 1.00 L-es edény 0.215 mól N 2 gázt, valamint 0.0118 mól H 2 gázt tartalmaz 25.5 o C-on. Határozza meg az egyes komponensek parciális nyomását, valamint a keverék teljes nyomását az edényben! 16 8
Klasszikus vs statisztikus hőtan Klasszikus hőtan (1824) Azt elemzi, hogy mi következik csupán a rendszer makroszkópikus tulajdonságaiból, és a hőtan törvényeiből, a mikroszkópikus értelmezéstől függetlenül. Statisztikus hőtan (1880) A termodinamikai rendszer mikroszkópikus viselkedésére épülő molekuláris-szintű modellek alapján vizsgálja a termodinamikai tulajdonságokat. 9