wyklad 1 wstep do termodynamiki - Urząd Miasta Łodzibiofizyka.p.lodz.pl/prezentacje/wyklad_1_wstep_do...2.Termodynamika systemów otwartych-informacja 3.Makrocząsteczki 4.Transport

Termodynamika (1)

Bogdan Walkowiak

Zakład Biofizyki

Instytut Inżynierii Materiałowej

Politechnika Łódzka

Wykład 1Wykład 1

poniedziałek, 23 października

2017Biofizyka 1

Aby zaliczyć przedmiot należy:Aby zaliczyć przedmiot należy:

• uzyskać pozytywną ocenę z laboratorium

• być obecnym na wykładach

• uzyskać pozytywną ocenę z kolokwium końcowego

• Lista zagadnień do kolokwiom z Biofizyki dla kierunku Inżynieria Biomedyczna

dostępna będzie na stronie:

http://www.biofizyka.p.lodz.pl/dydapol.html

• uzyskać pozytywną ocenę z laboratorium

• być obecnym na wykładach

• uzyskać pozytywną ocenę z kolokwium końcowego

• Lista zagadnień do kolokwiom z Biofizyki dla kierunku Inżynieria Biomedyczna

dostępna będzie na stronie:

http://www.biofizyka.p.lodz.pl/dydapol.html

ZaliczenieZaliczenie


2017Biofizyka 2

• liczba zaplanowanych godzin wykładów: 15

Co daje 675 mint (15 x 45 = 675)

• jeden wykład trwa 75 min.

• daje to 9 wykładów (675 / 75 = 9)

• liczba zaplanowanych godzin wykładów: 15

Co daje 675 mint (15 x 45 = 675)

• jeden wykład trwa 75 min.

• daje to 9 wykładów (675 / 75 = 9)

Liczba wykładówLiczba wykładów


2017Biofizyka 3

Program wykładów

1. Wprowadzenie do termodynamiki2. Termodynamika systemów otwartych- informacja3. Makrocząsteczki4. Transport substratów5. Potencjały, siły i strumienie6. Struktura i działanie mięśnia 7. Przepływ krwi8. Elektryczne i magnetyczne właściwości materii9. Bioelektrochemia i biomateriały


2017Biofizyka 4

Wprowadzenie

Obszary zainteresowań:

- ekosystemy- obiekty makroskopowe- obiekty mikroskopowe- język biofizyki

Obszary zainteresowań:

- ekosystemy- obiekty makroskopowe- obiekty mikroskopowe- język biofizyki


2017Biofizyka 5

• Obszary zainteresowania termodynamiki klasycznej (fenomenologicznej) i termodynamiki statystycznej

• transport ciepła i praca mechaniczna• czarna skrzynka i relacja sygnałów wyjścia do wejścia• struktura wewnętrzna (cząsteczki) i statystyka

• Relacja pomiedzy termodynamiką i fizyką współczesną• zasada korespondencji• rozbieżność pomiędzy termodynamiką i równaniemEinsteina E=mc2

• Użyteczność i ograniczenia termodynamiki

Wstęp do termodynamiki


2017Biofizyka 6

Klasyfikacja systemów termodynamicznych

• system izolowany(brak wymiany jakiejkolwiek formy energii i materii) - system teoretyczny

•system adiabatyczny(energia jest wymieniana z otoczeniem, z wyjątkiem ciepła) – systemteoretyczny

• system zamknięty (izotermiczny) (wymiana wszystkich form energii, ale nie materii) - system rzeczywisty

• system otwarty(wymiana wszystkich form energii i materii)- system rzeczywisty


2017Biofizyka 7

Parametry opisujace stan systemu

• parametry ekstensywne - addytywne(masa, obiętość, rozmiary liniowe)

• parametry intensywne - nieaddytywne(ciśnienie, stężenie, temperatura)

T = (m1T1c1 +m2T2c2)/(m1+m2)


2017Biofizyka 8

Praca termodynamiczna

parametr

praca intensywny ekstensywny równanie

Objętościowa Ciśnienie (p) Objętość(V) dW = - pdV

Powierzchniowa Naprężenie

powierzchniowe(S) Powierzchnia (A) dW = - SdA

Elektrochemiczna SEM (E) Ładunek (Z) dW = - EdZ

Magntyczna Indukcja magnetyczna (B) Moment magnetyczny (M) dW = - BdM


2017Biofizyka 9

Stany systemu

• Stan równowagowy (wewnętrzne parametry systemu są równe parametrom zewnętrznym)

• Stan stacjonarny (parametry wewnętrzne maja stałą wartość, ale nie są równe parametrom zewnętrznym. Stan jest osiagany dzieki obecności przepływów pomiedzysystemem i otoczeniem. Stan nazywany jest także Stanem równowagi wymiany)


2017Biofizyka 10

Zmiany stanu systemu

• Równanie stanu(równanie opisujące stan systemu z wykorzystaniem parametrów termodynamicznych, przykładowo: pV=nRT)

• Proces termodynmiczny(przejście z jednego do drugiego stanu systemu, przykładowo gaz w cylindrze sprężony do mniejszej objętości )


2017Biofizyka 11

Funkcje stanu (V=const)

• Energia wewnętrzna U

U=Q+W ; Qv = dU gdy W=0

• Energia swobodna F

F=U-TS ; S – entropia

F – Część energii wewnętrznej dostępnej dla wykonaniapracy


2017Biofizyka 12

Funkcje stanu (p=const)• Entalpia H

H=U+pV; Qp = dH,

(ilość ciepła, dostarczonego do systemu dla p=const, uzytego dla podwyzszenia energii wewnetrznej i wykonania pracy mechanicznej, dH=dU+pdV)

• Entalpoia swobodna G

G=H-TS; (potencjał Gibbsa)

G – Część entalpii dostepna do wykonania pracy innej niż objętościowa, dG=H-TdS)


2017Biofizyka 13

Procesy egzo- i endotermiczne

Zmiana entalpii swobodnej i energii swobodnej

- Proces egzotermiczny:dG < 0 dF < 0

- Proces endotermicznydG > 0 dF > 0

Ciepło reakcji chemicznej w procesie izochorycznym jest równoważne zmianie energii wewnętrznej (QV = dU), a w procesie izochorycznym zmianie entalpii (Qp = dH)

Prawo Hessa: ciepło reakcji jest zależne od początkowego i końcowego stanu układu, ale nie od sposobu przejścia.


2017Biofizyka 14

Entropia (1)

• ciepło zredukowane Q/T

• zdegradowana forma energii dS = dQ/T,

• miara nieuporzadkowania (równanie Boltzmana) S = k lnW,

k - stała Boltzmana; k=1,38x10-23 J/K)W – prawdopodobieństwo termodynamiczne

(suma stanów)


2017Biofizyka 15

Entropia (2)

Case number

1

2

3

4

5

Number of bills in the first chamber

Number of bills in the second chamber

4

0

3

1

2

2

1

3

0

4

Thermodynamic probability

(Sum of states W)

1

4

6

4

1

n !W = --------------------------

n1 ! n2 ! ......... nm !

n – liczba kulek

ni – liczba kulek w i-tym cylindrze

n! = 1 x 2 x 3 x ... x n

(silnia)


2017Biofizyka 16

Entropia (3)Entropia jest funkcją prwadopodobieństwa termodybnamicznego

S = f(W)

Jeżeli S1 i S2 są entropiami dwóch podsystemów, a W1 i W2 są odpowiednimi prawdopodobieństwami termodynamicznymi, to entropia systemu jest sumą entropii podsystemów:

S = f(W) = S1 + S2 = f(W1) + f(W2)

Prawdopodobieństwo termodynamiczne systemu jest iloczynem prwadopodobieństw podsystemów:

f(W) = f(W1) + f(W2) = f (W1 W2);

Jedynie funkcja logarytmiczna spełnia taką zależność:lnA + lnB = ln (A B)

Dlatego entropia musi mieć formę:S = k lnW


2017Biofizyka 17

Pierwsza zasada Termodynamiki

Całkowita energia wszechświata jest stała:

(U+Q+W=const)


2017Biofizyka 18

Druga zasada Termodynamiki

Entropia wszechświata ciaglewzrasta: dS>0

dS > 0 dla procesów nieodwracalnych (rzeczywistych)dS = 0 tylko dla procesów odwracalnych (tylko procesy teoretyczne)


2017Biofizyka 19

Przykład:

Zmiana entropii podczas fermentacji alkoholowej:

C6H12O6 ---> 2 C2H5OH + 2 CO2

Standardowe entropie molarne: C6H12O6 - 50.7 cal/KC2H5OH - 38.4 cal/KCO2 - 51.08 cal/K

dS = 2x38.4 cal/K + 2x51.08 cal/K - 50.7 cal/K = 128,26 cal/K

Proces może przebiegać tylko w prawą stronę wskazana przez wzrost entropii.


2017Biofizyka 20

Druga zasada Termodynamiki

Trzecia zasada Termodynamiki

Dla T=0 entropia S jest równa 0

(lim S =0)T => 0

Inne funkcje stanu (U,F,H,G) dla T=0 osiagaja wartościminimalne, ale nigdy 0 .

Dla T=0 procesy rzeczywiste mogą przebiegać bez zmiany entropii. Oznacza to, że dla T=0 każdy proces rzeczywisty może być procesem odwracalnym.


2017Biofizyka 21

Documents

wyklad 1 wstep do termodynamiki - Urząd Miasta Łodzibiofizyka.p.lodz.pl/prezentacje/wyklad_1_wstep_do...2.Termodynamika systemów otwartych-informacja 3.Makrocząsteczki 4.Transport