Termodynamika

Soustava• soustava - část prostoru slátkovou náplní oddělená odokolí

skutečnými nebo myšlenými stěnami• okolí – prostor vně uvažované soustavy

Soustava

Okolí

Hraniční plocha

SoustavaRozdělení podle vztahu kokolí• Izolovaná• Uzavřená• Otevřená

Rozdělení podle stejnorodosti• Homogenní• Heterogenní

SoustavaOtevřená• soustava vyměňuje sokolím energii i hmotu• hrnec bezpokličky

Uzavřená• soustava vyměňuje sokolím energii,nevyměňuje hmotu• láhev sminerálkou

Izolovaná• soustava nevyměňuje sokolím ani energii ani hmotu• zavřená mrazící taška

Adiabaticky uzavřená• tepelná výměna sokolím není možná

Termodynamika• studuje vlastnosti soustav zenergetického hlediska• změny vsoustavách vyvolané změnou vnějších podmínek

Umožňuje:• stanovit množství energie vyměněné vrůzných formách meziokolím asoustavou

• určit podmínky uskutečnitelnosti děje• určit za jakých podmínek sevsoustavě ustaluje rovnováha• určit složení soustavy vrovnováze• nalézt vhodné podmínky prozískání optimálních výtěžků• nelze určit rychlost děje adobu potřebnou kdosaženírovnováhy

TermodynamikaTermodynamické veličiny• stavové veličiny• T,P,V,H,S,G,A,kJT

• nestavové veličiny• QaW

Termodynamická rovnováha• stav při kterém vsystému neprobíhají žádné makroskopické

změny atermodynamické veličiny jsou včase konstantní• rovnováha jeposuzována zněkolika hledisek – fázového,

chemického,koncentračního,tepelného,mechanického(tlakového)

TermodynamikaZákladní pojmy• Teplo – změna energie soustavy na základě teplotního rozdílumezi soustavou aokolím (nejedná seostavovou veličinu)

• Práce – ostaní formy výměny energie soustavy,při kterýchzpravidla dochází ksilovému působení mezi soustavou aokolím (nejedná seostavovou veličinu).Výjimka jeelektrická achemická práce.

TermodynamikaZnaménková konvenceTeplo zhlediska soustavyQ>0teplo přivedené dosoustavyQ>0teplo odevedené ze soustavy

PráceW>0práce vykonané soustavouW>0práce dodaná soustavě

TermodynamikaTermodynamický děj• přechod soustavy zjednoho stavu dodruhého• hodnoty stavových veličin nezávisí na způsobu,jakým změnaproběhla (mění sebezohledu na cestu,jakou tato změnaproběhla)

• hodnoty nestavových veličin závisí na způsobu,jakým změnaproběhla

1. Děje vratné anevratné (reverzibilní/ireverzibilní)2. Děje při konstatntní termodynamické veličině3. Děje kruhové (cyklické)

Termodynamika1. Děje vratné anevratné• Vratný děj – soustava jevtermodynamické rovnováze.Lze se

vrátit dovýchozího stavu.Systém prochází velkým počtemmalých stavových změn,při nichž jevždy nekonečně malázměna kompenzována změnou soustavy.

A– B– A

• Nevratný děj – soustava není vtermodynamické rovnováze.Nelye sevrátit dopůvodního stavu.

A– B– C

Termodynamika2. Děje při konstantní termodynamické veličiněT =konst.– izotermický dějp =konst.– izobarický dějV =konst.– izochorický dějQ =konst.– adibatický dějS =konst.– izoentropický dějH =konst.– izoentalpický děj

Termodynamika3. Děje kruhové• změna stavové veličiny jenulová• změna nestavové veličiny jenenulová

A– B– C– D– E– F– A

TermodynamikaPostulát I– O přechodu systému dorovnovážného stavu

"Při neměnných vnějších podmínkách dospěje každý systém dostavu termodynamické rovnováhy."

• vpřípadě,že systém není vrovnováze,jeho vlastnosti sesamovolně mění tak,abysystém rovnováhy dosáhl – mírarychlosti dosažení – relaxační čas

TermodynamikaPostulát II– Ovnitřní energii

"Vnitřní energie Ujestavová extenzivní veličina."

Vnitřní energie• součet kinetické energie pohybujících sečástic,potenciální

energie vzájemného přitahování aodpuzování částic aenergiezáření uvnitř soustavy

• na hodnotu vnitřní energie nemá vliv pohyb ani polohasoutavy jako celku

TermodynamikaPostulát III– 0.věta termodynamická"Jsou – lidvě různá tělesa AaBvtepelné rovnováze (mají stejnouteplotu)stělesem C,potom jsou vtepelné rovnováze (majístejnou teplotu)i navzájem."

• měření teploty

• Teplota charakterizuje tepelný stav látky(jemírou kinetickou energie částic)

A B B C A C

TermodynamikaTeplotní stupnice

Celsiova teplotní stupnice (AndersCelsius)• 0ºC– dolní základní teplota (teplota směsi voda atající ledza

101,325kPa• 100ºC– horní základní teplota varu vody při 101,325kPa

TermodynamikaTeplotní stupnice

Fahrenheitovateplotnístupnice(GabrielDanielFahrenheit)• 0ºF– základní dolní teplota (teplota směsi led+voda+salmiak,

-17,7ºC)• 96ºF– horní základní (teplota zdravého člověka – 37ºC)

TermodynamikaTeplotní stupnice

Absolutnítermodynamickástupnice(W.ThompsonlordKelvinofLargs)• 0K – dolní základní teplota - zastavení tepelného pohybu

(atomyi molekuly vnaprostém klidu)• 273,15K– horní základní – trojnýbodvody(0,01º C a 610

Pa)

TermodynamikaTeplotní stupnice

TermodynamikaTeplotní roztažnost

TermodynamikaPostulát IV– 1.věta termodynamická• energie nevzniká zničeho,jedna její formasemůže

přeměňovat vdruhou

Homogenní uzavřená soustava"Změna vnitřní energie soustavy (DU)jerovna teplu Qapráci W,kterou soustava přijala nebo odevzdala."

• vnitřní energii lze změnit pouze dodáním nebo odvedenímtepla anebo dodáním nebo vykonáním práce.

• Přeměna práce na teplo těmto omezením nepodléhá (viz.II.VTD)

TermodynamikaPostulát IV– 1.věta termodynamická

Izolovaná soustava

• při všech dějích stejná celková energie

Slovní formulace 1.věty termodynamiky1. Není možné sestavit storj,který bykonal práci,aniž byse

zmenšila jeho energienebo energie jeho okolí – tzv.perpetuum mobileI.druhu.

2. Nelze sestrojit perpetuum mobileI.druhu

Termodynamika1.věta termodynamiky

Entalpie H

• zjednodušení výpočtů při izobarických aadiabatických dějích

TermodynamikaAplikace 1.věty termodynamiky

Vnitřní energie

Entalpie

Mayerův vztah

TermodynamikaTeplo• jeenergie vyměněná mezi systémem aokolím jako důsledek

teplotního rozdílu mezi nimi• teplo jeenergie přenesená zjednoho tělesa na jinou formu

neuspořádaného pohybu mikročástic (zpravidla důsledkemrozdílu teplot těles)

TermodynamikaMěrná tepelná kapacita při konstantním tlaku cp Cp• teplo,které jenutné dodat jednotkovému množství látky přikonstantním tlaku,abyseohřála o1K

Měrná tepelná kapacita při konstantním objemu cV CV• teplo,které jenutné dodat jednotkovému množství látky přikonstantním objemu,abyseohřála o1K

VV T

Un

C ÷øö

çè涶

=1

pp T

Hn

C ÷øö

çè涶

=1

TermodynamikaDěj Objemová práce

Izotermický

Izobarický

Izochorický

Adiabatický

Poissonova konstanta

Termodynamika• Protrvalou přeměnu tepla vmechanickou energii jepotřebatepelného stroje vkterém probíhá kruhový děj.

• Propřecházení tepelné energie na mechanickou energii musímít teplo možnost přecházet zteplějšího tělesa na chladnějšítěleso (dva tepelné zásobníky orůzné teplotě)

• Práci koná pouze část tepla přijatého dozásobníku.Zbylá částtepla odevzdá pracovní látka chladnějšímu zásobníku.

• Teplná účinnost jevždy >1

TermodynamikaPráce• jeenergie,která jepřenesena zjednoho tělesa na jiné formou

uspořádaného pohybu (zpravidla důsledkem vnější sílypůsobící mezi tělesy)

TermodynamikaParní elektrárna

Termodynamika2.věta termodynamikaClausiusova formulace"Teplo nemůže samovolně přecházet ze soustavy onižší teplotědosoustavy ovyšší teplotě."

Thomsonova formulace"Nelze sestrojit cyklicky pracující stroj,který bytrvale pouzeodebíral teplo ztepelného zásobníku apři téže teplotě veškerétoto odebrané teplo měnil na mechanickou energii."

TermodynamikaClausiusova formulace"Teplo nemůže samovolně přecházet ze soustavy onižší teplotědosoustavy ovyšší teplotě."• Tepelné čerpadlo – abyfungovalo musíme dodat práci

zvnějšku.

Všechny druhy energie lze převést bezomezení na energiitepelnou,aletepelnou energii lze na ostatní energie převádět jensjistými omezeními.

TermodynamikaLednička vs.tepelné čerpadlo

TermodynamikaThompsonova formulace"Nelze sestrojit cyklicky pracující stroj,který bytrvale pouzeodebíral teplo ztepelného zásobníku apři téže teplotě veškerétoto odebrané teplo měnil na mechanickou energii."• důležitý poznatek prokonstrukci tepelných strojů• nelze veškerou odebranou tepelnou energii beze zbytku

přeměnit na práci• perpetuum mobileII.druhu

Termodynamika2.věta termodynamiky

Entropie

• stavová veličina (extenzivní aaditivní)

Vratné anevratné adiabatické děje

TermodynamikaEntropieVratný adiabatický děj

• při vratném adiabatickém ději senetropie soustavy nemění azůstává konstantní

• děj izoentropický

TermodynamikaEntropieNevratný adiabatický děj• libovolný nevratný děj lze nahradit jedním nebo několika

libovolnými vratnými ději

TermodynamikaSpojení 1.a2.věty termodynamiky

TermodynamikaDěj Změna entropie

T=konst.

TermodynamikaPostulát VI– 3.termodynamická větaPlanckova formulace"Entropie čisté fáze sesklesající teplotou blíží nule."

• lze spočítat absolutní hodnotu entropie proprvky i sloučeniny• konečným počtem operací nelze schladit látky na teplotu 0K

TermodynamikaVolná energie (Helmholtzova energie)A

• vnitřní energii Ujemožno rozdělit na volnou energii A,kterousoustava může přeměnit na práci aodevzdat dookolí anavázanou energii TS,ktera jepři dané teplotě Tvázaná anevyužitelná

TermodynamikaVolná entalpie (Gibbsova energie)G

• entalpii Hjemožno rozdělit na volnou entalpii G,kterousoustava může přeměnit na práci aodevzdat dookolí anavázanou energii TS,která jepři dané teplotě Tvázaná anevyužitelná.

TermodynamikaKritérium uskutečnitelnosti samovolně probíhajícího dějeAdiabaticky izolovaná soustava• děj bude probíhat samovolně pokud

Izotermicko-izochorický děj• děj bude probíhat samovolně pokud

Izotermický-izobarický děj• děj bude probíhat samovolně pokud

TermochemieChemická termodynamika• aplikace základních principů termodynamiky vsoustavách,v

kterých probíhají fyzikální děje (fázové změny...),fyzikálněchemické děje (rozpouštění...)nebo chemické děje(chem.reakce...)

1. Teplo skupenských fázových přeměn (výparné,sublimační,tuhnutí,...)

2. Teplo zřeďovací arozpouštěcí3. Teplo při chemických reakcích (reakční teplo...)

TermochemieTeplo rozpouštěcí• teplo,které soustava vymění sokolím při rozpouštění látky přikonstantním tlaku ateplotě

• provětšinu látek tj.přenos tepla zokolí dosoustavy (teplo sepohlcuje).Nutno dodat energii prorozrušení krystalové mřížky auvolnění částic.

• pozor – NaOH - přenos tepla ze soustavy dokolí– teplo seuvolňuje.Solvatace iontů (rozštěpení molekulyrozpouštěné látky molekulami rozpouštědla)

TermochemieTeplo zřeďovací• teplo,které soustava vymění sokolím při řeění roztoku látky o

koncentraci c1 na koncentraci c2 při konstatntním tlaku ateplotě.

• ředění kyselin – silně exotermní děj

Vždy přidávat kyselinu dovody,nikdy neobráceně!!!!(Můžeme nalít kyselinu doVltavy,alenikdy neVltavu dokyseliny)

Termochemie

TermochemieVětšina reakcí probíhá za konst.tlaku votevřených nádobách.

Reakčním teplem jeDH(DH=Q)

Exotermické reakce DH<0

Endotermické reakce DH>0

Termochemie1.termochemický zákon"Reakční entalpie přímé azpětné reakce jsou až na znaménkostejné."

N2 (g)+3H2 (g)→2NH3 (g) ∆H =– 86,3kJ.mol - 1

2NH3 (g)→N2 (g)+3H2 (g) ∆H =+ 86,3kJ.mol - 1

Termochemie2.termochemický zákon"Reakční entalpie kterékoliv chemické reakce nezávisí na způsobujejího průběhu,alepouze na počátečním akonečném stavusoustavy."

TermochemieSlučovací teplo• DHreakce,jíž vznikl 1mol sloučeniny přímým sloučením z

prvků ve standardních stavech (298,15Ka101,325kPa)- C(grafit)anediamant.

• Abychomdostaliprvkyvestandardnímstavu,nebudemepotřebovatžádnéteplo.Protojestandardníslučovacíteploprvkůvjejichnejstálejšípodobějenulovéatotéžplatípřivšechostatníchteplotách.

TermochemieSpalné teplo• Spalná teplo jereakční teplo spálené látky vkyslíku• Standardní spalné teplo oněch nejstálejších oxidů jetaké

nulové

Termochemie• Kirchhoffův zákon