Vad är termodynamiken ?
”Behandlar övergångar av energi mellan olika system och olika tillstånd av dessa system”
Exempel för termodynamiska frågor
Hur mycket el krävs det för att värma mitt hus från 5 till 20O C ?
Hur mycket energi får jästceller vid producering av 1l vin från must ?
När slutar vulkanismen på jorden ?
Kan jag köra till Systembolaget (2 mil härifrån) med 2 l bensin ?
Hur långt måste jag springa för att “förbränna” energin från en hamburgare ?
Kan man fullständigt omvandla värme till ljus, el, etc.
Baskoncept inom termodynamiken:
Energi, arbete, värme, tillstånd, system, temperatur
Energi
Definerad som en förmåga av ett system att utföra arbete
Energiformer: termisk, elektrisk, mekanisk, kemisk, ljusenergi, etc.
Energi kan varken skapas eller förstörs, bara omvandlas.
Omvandlingav energi (ett termodynamiskt
korsord)
till Omvandling
från
Mekanisk energi
Termisk energi
Ljus - energy
Kemisk energi
Elektrisk energy
Mekanisk energi
- Friktion Brems-
strahlung
Framställning av diamant från grafit
Generator
Termisk energi
Ångmaskin - Glöd Matlagning Värme-
kraftverk
Ljus - energy
Strålnings-tryck
Absorption - Fotosyntes Solar cell
Kemisk energi
Explosion Förbränning Kemi-
Luminescens (lysmask)
- Batteri
Elektrisk energy
Elmotor Joule värme
Glödlampa Electrolys -
Fyll i de blanka !
Metallyta
h
NH3
Fotodesorption
Damm fran komet Temple 1 som hittasi ramen av Deep-Impact-missionen
Fotodesorption och strålningstryck
100 Gpa (1 miljon gånger lufttryck) vid 1000 K
Grafit Diamant
Tryckgenerator för diamantsyntes
Diamant har lite högre energi
Mekanisk kemisk energi
Kemiluminescens
Kemiluminescens vid oxidation av vit fosforP4 + 3 O2 2 P2O3
Lysmaskgrotta (Nya Zeland)Luciferin + O2 Oxyluciferin + h
Bremsstrahlung (Bromsstrålning)
Elektron
Proton
Elektronen bromsas av en proton - energin strålas av
Inre och yttre energi
Yttre energi: ordnad kinetisk eller potentiell energi av ett system
Inre energi: Energiinnehållet av ett system som överstiger
potentiella och kinetiska energin.
Totalenergi av ett system = Inre energi + Yttre energi
Värme- en form av energiKanonborrningsexperiment av Greve Rumford
Vid kanonborrningen frisätts en massa värme - var kommer den från ?
Lavoisier: Värmesubstans ”caloricum”
Rumford: - värmen om avges under borrningen skulle smälta kanonen om den fanns där på en gång - metallspån från borrningen har samma egenskaper som ett block av samma metall (ingen kemisk reaktion - borrarematerial har också samma egenskaper som före borrningen Arbete omvandlas till värme !
Greve Rumford
Två viktiga former av energi - värme och arbete
Värme: Icke - mekanisk utbyte av energi mellan ett system
och omgivningar p. g. a. temperaturskillnad.
Kan hända genom ledning, konvektion och strålning. Arbete: Allt annat utbyte av energi mellan system och
omgivningen.
Varför gör man denna skillnad ? Vi kommer att se snart !
Termodynamiska system
Termodynamisk system: en villkorlig del av vårt universum begränsad
på reella eller virtuella gränser.
Isolerat system
Energi Mass
Öppet system
Energi Mass
Sluten system
Energi Mass
Termodynamikens första lag
Ändringen av inre energi i ett termodynamiskt system är summan av värme och arbete överförd till eller från the systemet.
U = Q + Winre energi värme arbete
W > 0 Arbete är överförs till systemet
W < 0 Arbete görs av systemet
Q > 0 Värme överförs till systemet
Q < 0 Värme avges av systemet
Temperatur
Temperatur är ett mått av förmågan av ett system att överföra värme till dess omgivning.
Nollte huvudsatsen av termodynamiken
Om två system är i termisk jämvikt med en tredje är dom i termisk jämnvikt med varandra.
System i termisk jämvikt har samma temperatur
Jämvikt- och ojämnviktstillstånd
angående inre energi
System i mekanisk jämnvikt: Ingen förändring av volym och tryck
i tid: dP/dt = 0, dV/dt = 0
System i kemisk jämnvikt: Ingen förändring i kemisk samman-
sättning i tid: dn/dt = 0, dc/dt = 0
System i termisk jämnvikt: Ingen temperaturförändring i tid:
dT/dt = 0
P, V, T, n kallas för tillståndsvarabler
Termodynamik
”Handlar om överföring av energi mellan olika system och omfördelning av energi innanför ett system”
Omfördelning innanför ett system
(Glas med dryck on the rocks)
Överföring av energi mellan system(Solstrålning)
Uppgift(Schroeder 1.26)
Ge ett exempel på en process i vilken värme tillförs och temperaturen stiger inte och ett exempel för motsatsen (ingen värme tillförs men temperaturen stiger)
Gaser
Uttryck infört av van Helmont: Flamländsk från grekiska ”” (chaos).
Fast kropp Vätska Gas Defi nierad
f orm Variabel f orm Variabel f orm
Defi nierad volym
Defi nierad volym
Variabel volym
Långavstånds- ordning
Kortavstånds ordning
-
Hur beror tryck, volym och temperatur av gaser på varandra ?
Gaslagar
Lag av Boyle (1670) och Mariotte (1676):
Vid en definierad temperatur:P 1/V
Sir Robert Boyle
Insluten luftvolymInsläppventil
Gaslagar
Lag av Charles och Gay-Lussac (1802):
Vid ett definierat tryck:V= V(0ºC) + aVT(ºC), a = 1/273.15
vid temperatur -273.15 ºC (T=0) V = 0
V T
Gay-Lussac-försök
JL Gay Lussac
Gaslagar
Hypotes av Avogadro
Vid ett definierat tryck och temperatur:
V N (Antal av partikler)
Om man kombinerar de 3 formler:
pV = kNTV 1/PV TV N
V NT/P
k = 1.38 x 10-23 JK-1
(Boltzmann- konstanten)
pV = kNT
Gaslagar
pV = nRT
För kemister, är mol bättre att handskas med:
R = 8.314 Jmol-1K-1
1 mol = 6.022 x 10-23 partiklar(Loschmidt-Avogadro tal)
12g 12C = 1 mol
Josef Loschmidt(Österrikiskt
frimärke)
AmadeoAvogadro
V = nRT/P
Ideal Gas
Vad följer av denna equation ?
Vid T = 0, ingen volym Gaspartikler oändligt små, volym utgörs av rörelse av partikler.
Vid P = 0, oändlig volym Ingen dragningskraft mellan gas-partiklar
En gas som beter sig på detta sättet kallas för en ideal gas
Kinetisk gasteori
Hur beräknar man inre energin hos en gas ?
v
vx
Grundtankar: a) en gas består utav en mycket stor mängd av små partikler. b) Trycket utgörs av kollisioner av gaspartiklar med väggen c) Gaspartiklar har en viss genomsnittlig hastighet,som är oberoende på riktningen vx = vy = vz. Detsamma gäller för kinetiska energin. (Equipartitionsteorem)
d) Partikel-partikelkollisioner är elastiska och påverka inte genomslittliga hastigheten.
Stämpelyta = A
Längden = L
v
-vx
Stämpelyta = A
Längden = L
vxvx
Trycket är den genomsnittliga kraften per stämpelyta av allapartiklar:
xxNm v tF
PA A
2 2
x x x
x
Nm ( 2v ) Nmv NmvP
A (2L / v ) AL V
xt 2L v
x xv 2v
2
x
PVmv kT
N
2
xkin (x )
mv kTE
2 2
Genomsnittliga tiden mellan 2 kollisioner:
Root mean square (rms) hastighet
Obs !v(rms) skiljer sig från genomsntittshastigheten !
2
kin
2
2
mv 3kTE
2 2
3kTv
m
3kTv(rms) v
m
UppgiftSchroeder 1.18
Beräkna v(rms) för kvävemolekyler (N2) vid rumstemperatur (300 K) och jämför den med hastigheten av en gevärkula (800 m/s)
1 mol kväve (N2) väger 28 g
1 mol ~ 6 x 1023 partikler
k = 1.3806503 × 10-23 J/K
Equipartitionsteorem
2
xkin (x )
mv kTE
2 2
Kinetiska energin fördelar sig jämt i alla 3 koordinater
22 2yx x
kin (x ) kin ( y) kin (z)
mvmv mv kTE E E
2 2 2 2
2
kin kin (x ) kin ( y) kin (z)
3kT mvE E E E
2 2
Frihetsgrader
I en atomär gas ( t. ex. He, Ar). kan kinetiska den energin fördelas i tre dimensioner (Ex, Ey, Ez). Vi kallar dem frihetsgrader.
I en molekylär gas ( t. ex. H2, N2). kan den kinetiska energin också fördelas pa rotationer och vibrationer:
2
ik in (t ransl)
2
i ik in (rot )
2
k in (vib) s
mvE i x, y,z
2I
E i a,b,c (tröghetsaxlarna)2
1E k s s Normalkoordiater
2
Equipartitionsteorem
k in k in ( trans) k in (rot ) k in (vib)E E E E
Vid tillräckligt hög temperatur fördelas energin jämt på alla translations, rotations och vibrationskoordinater (frihetsgrader).
k in(i)
kin
kTE
2kT
E f2
Antalet frihetsgrader
Hur många frihetsgrader har en atom/molekyl ?
I en atomär gas har 3 translationsfrihetsgrader.
I en molekyl med N atomer 3N frihetsgrader, varav 3 rotations-.och 3 translationsfrihetsgrader. Antalet av vibrationsfrihetsgraderdärför:
fvib = 3N - 6
Undantag: I en lineär molekyl försvinner ett tröghetsmoment:
fvib = 3N - 5för lineära molekyler
Ix
Iy
Iz
Normalkoordinaterav H2O och CO2
H2Ofvib = 3N - 6 = 3
Symmetrisk sträckning
Asymmetrisk sträckning Böjning
CO2
fvib = 3N -5 = 4
Symmetrisk sträckning
Asymmetrisk sträckning
+ +-
Böjning 1 Böjning 2
Olika vibrationer med samma energi kallas degenerade.
Frihetsgrader i en metall
Förenklat kan man föreställa sig en metallisk fast kropp som en “kristall” av kulor som är förbundna av fjädrar
Här har varje atom 3 translations-och 3 vibrationsfrihetsgrader. Därifrån följer: f = 6
(Dulong och Petit’s regel)
I vätskor är intermolekulära krafter mycket mer komplicerade och kan inte bekrivas på ett sådant enkelt sätt.
Recommended