ZKLADY TERMODYNAMIKYMartin Bojkovsk a Petr mejkalZpracovno na zklad a s vyuitm diplomov prce Martina Bojkovskho Termodynamika Elektronicky zpracovan text pro S a ni ronky V vypracovan na Prodovdeck fakult UK v Praze v roce 2007 pod vedenm Dr. Petra mejkala

KLASICK TERMODYNAMIKAenergetick bilance djuskutenitelnost/ neuskutenitelnost djrovnovhy

KLASICK TERMODYNAMIKAZkoum soustavu jako celek; zkoum makroskopick vlastnosti a jevyK popisu vlastnost a jev vyuv termodynamickch funkc = popisuj soustavu jako celek, ale nevystihuj molekulovou (sticovou) podstatu soustavy ani mechanismy dj

KLASICK TERMODYNAMIKA Neuplatuje se faktor asu; meme studovat uskutenitelnost, ale ne! rychlost

KLASICK TERMODYNAMIKAStoj na tech principech

1. vta termodynamiky2. vta termodynamiky3. vta termodynamiky

Tyto vty jsou axiomy: nikdo je nikdy nedokzal, ale nikdo tak nikdy nepozoroval nic jinho

ZKLADN POJMYTERMODYNAMICK SOUSTAVASoubor tles, mezi nimi je umonna vmna tepla a jinch druh energie

OKOLVe (vechna tlesa) vn soustavy

TYPY SOUSTAVOTEVEN vymuje s okolm jak ltku tak energii

TYPY SOUSTAVUZAVEN vymuje s okolm energii, ale nevymuje hmotu

TYPY SOUSTAVIZOLOVAN soustava nevymuje s okolm ani ltku ani energii

DAL DLN SOUSTAVHETEROGENNSoustava obsahuje nkolik fz = vidme fzov rozhran

HOMOGENNV soustav se nachz pouze jedna fze

VLASTNOSTI SOUSTAVYEXTENZIVNzvis na velikosti systmu. Pokud spojme dv naprosto toton soustavy vjednu, zdvojnsob se hmotnost systmu, jeho objem i ltkov mnostv stic vsoustav.

VLASTNOSTI SOUSTAVYINTENZIVNTyto veliiny se svelikost systmu nemn.

VLASTNOSTI SOUSTAVYINTENZIVNTlak, hustota, teplota, molrn objem = asto veliiny vztaen na jednotku (m, V, n apod.)

EXTENZIVNobjem, energie, hmotnost

STAV SOUSTAVYDn souhrnem jeho intenzivnch vlastnost, kter jsou vyjdeny termodynamickmi stavovmi veliinami (funkcemi)

STAVOV VELIINA (FUNKCE)Charakterizuje stav soustavy - napklad teplota t, termodynamick teplota T, objem V, chemick sloen soustavy, ltkov mnostv stic vsoustav n. Stavov veliiny maj takovou zvltn, a pro ns dleitou, vlastnost, a to e jsou zvisl pouze na potenm a konenm stavu soustavy, nikoli vak na cest, kterou soustava prola = pi pechodu (dji) soustavy se zmn stavov funkce bez ohledu na cestu pechodu vdy stejn

STAVOV VELIINA (FUNKCE)DRHA x NADMOSK VKA

STAVOV VELIINA (FUNKCE)Pi pechodu soustavy (dji) z jednoho stavu do druhho se stavov funkce zmn vdy stejn bez ohledu na cestu (zpsob) pechodu

TERMODYNAMICK DJEVRATN (REVERZIBILN)Dje, kdy systm vychz z rovhovhy a prochz velkm potem malch stavovch zmn, pi nich je vdy nekonen mal zmna okol kompenzovna zmnou soustavyDj vratn je mono zastavit a obrcenm sledem stejn velkch zmn okol vrtit systm do pvodnho stavu

TERMODYNAMICK DJENEVRATN (IREVERZIBILN)Dje, kdy se po jejich proveden u nememe dostat systm zpt do pvodnho stavuRozklad TNT

TERMODYNAMICK DJEDle podmnek dje = kter veliina je konstantnp = 0 - dj izobarickT = 0 - dj izotermickV = 0 - dj izochorick Q = 0 - dj adiabatick

TERMODYNAMICK ROVNOVHAPsoben systmu na okol je stejn jako psoben okol na systmSoustava se navenek ji nemn

x Pozor!!! Neplst se stacionrnm stavem

1. VTA TERMODYNAMIKYNejprve pojem vnitn energie - UProbh druh poloas finlovho utkn Ligy mistr mezi tmy Bayern Mnichov a Chelsea. Petr ech chyt tutovku Balacka. Bere m do rukou a vykopv ho na vybhajcho Drogbu. Pi vkopu se m ocit ve vce h, piem let rychlost v.

VNITN ENERGIEZ celkov energie systmu kinetickou a potenciln energii systmu jako celku

VNITN ENERGIE

VNITN ENERGIEJde o funkci (veliinu) stavovouAbsolutn je vnitn energie nemiteln !!!Jsme schopni zmit pouze jej rozdl UPro? Nevme, kdy je vnitn energie rovna nule; neumme urit vechny energetick pspvky patc do vnitn energie

VNITN ENERGIEPro nelze urit absolutn?rozdl U

1. VTA TERMODYNAMIKYBylo zjitno, e systm, si vymuje s okolm vnitn energii pouze ve form tepla a nebo prceMatematick formulace prvn vty termodynamikyJde v podstat o zkon zachovn energie aplikovan na termodynamick dje

Jak to bude se znamnky?Vvoj znamnkov konvence

Znamnkov konvenceObdobn to bude s ostatnmi termodynamickmi funkcemi (U, H, G atd.)

PRCEPovrchovElektrickChemickOBJEMOV

PRCEreverzibiln

ireverzibiln

TEPLOObecn teplo nen stavovou funkc !!!Kdy je?Pokud se nevymuje jin ne objemov prce a jde o izochorick dj

TEPLO2. Izobarick dje

Definujme novou funkci:Enthalpie:

TEPLO a ENTHALPIE1. vta termodynamikyU = Q + Wdiferenciln tvar 1. vty termodynamikydU = dQ + dWcelkov prce dW = dW* pdVpo dosazen dU = dQ + dW* pdV

dH = dU + pdV + Vdp = dQ + dW* pdV + pdV + Vdp

je-li W*=0 a dp =0pakdH = dQp (p = konst.)

TEPLO = STAVOV FUNKCE

TEPELN KAPACITAKolik tepla je teba k ohevu soustavy z jedn teploty na teplotu jinou?

Vede k zaveden tepeln kapacityMolrn tepeln kapacitaMolrn tepeln kapacita za konst. objemuMolrn tepeln kapacita za konst. tlaku

TEPELN KAPACITAMrn tepeln kapacita

TEPELN KAPACITADefinice je ponkud sloit, nebo CV a Cp jsou zvisl na teplotAle, piblin:

TERMOCHEMIEZabv se tepelnmi jevy pi chemickch reakcch!!! TEPLO nen obecn stavovou funkc !!!, tedy tepeln zmny obecn tko jednoznan kvantifikovatBudeme se tedy zabvat reakcemi, kdy je vymnn teplo stavovou funkc

VZNAM REAK. TEPELVid, kdybys dval ve kole pozor, tak jsi te nemusel mrznout !

REAKN TEPLOp = konst. zmna ethalpie soustavy, kter provz uskutenn chemick reakce v jednotkovm rozsahu za pedpokladu, e teplota vch ltek i produkt zstv stejnV = konst. zmna vnitn energie soustavy, kter provz uskutenn chemick reakce v jednotkovm rozsahu za pedpokladu, e teplota vch ltek i produkt zstv stejn

JEDNOTKOV ROZSAH?Je to reakce, kter b vtakovch ltkovch pomrech, aby stechiometrick koeficienty tto reakce byla co nejni cel sla. Vezmme si napklad reakci praen pyritu:(A)4 FeS2 (s) + 11 O2 (g) 2 Fe2O3 (s) + 8 SO2 (g)Uvoln se 5144,2 kJ.mol-1 (B)8 FeS2 (s) + 22 O2 (g) 4 Fe2O3 (s) + 16 SO2 (g)Uvoln se 10288,4 kJ.mol-1

(C)1 FeS2 (s) + 11/4 O2 (g) 1/2 Fe2O3 (s) + 2 SO2 (g) Uvoln se 1286,05 kJ.mol-1

REAKCE ZA p = konstVtina reakc probh za konst. tlaku v otevench ndobchReaknm teplem je HEXOTERMICKENDOTERMICK

ZVISLOST REAK. TEPELNa teplotNa stavu, v nm se nachz reagujc ltky

pevn ltka s (solid)kapaln ltka l (liquid)plynn ltka g (gas)

STANDARDN STAVNejstlej modifikace dan ltky pi:p = 101325 Pa, nej. 25 C (298,15 K)GRAFITKALCIT

TERMOCHEMICK ZKONYVychz z faktu, e pi p = konst plat, e (lze odvodit i pro U=Q)

1. TERMOCHEMICK ZKONPrvn termochemick zkon formulovali vroce 1870 A. L. Lavoisier a P. S. Laplace. Proto se nkdy k Lavoisier-Laplacev zkon.

Ten k, e reakn enthalpie pm a zptn reakce jsou a na znamnka stejn. Pestoe byl tento zkon formulovn pouze pro jeden typ reakc (rozloen sloueniny na prvky = chemick rozklad), lze jej zobecnit i pro vechny ostatn reakce. Teplo, kter je teba dodat kreakci proveden jednm smrem je, a na znamnko, stejn jako teplo reakce zptn. Pklad:N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)H = 86,3 kJ.mol - 12 NH3 (g) N2 (g) + 3 H2 (g)H = + 86,3 kJ.mol - 1Pierre-Simon LaplaceAntonie Laurent de Lavoisier

2. TERMOCHEMICK ZKONDruh termochemick zkon formuloval vroce 1840 Hess.

Reakn enthalpie kterkoliv chemick reakce nezvis na zpsobu jejho prbhu, ale pouze na potenm a konenm stavu soustavy.Germain Henri Hess

2. TERMOCHEMICK ZKONC (grafit) + O2 (g) CO2 (g)H298 = 393,7 kJ.mol - 1(to je spalovn grafitu, kter se d provst pomrn snadno)

C (grafit) + O2 (g) CO (g)H298 = 110,1 kJ.mol - 1

A hledme reakn enthalpii tto chemick reakce!CO (g) + O2 (g) CO2 (g)H298 = x kJ.mol - 1 393,7 kJ.mol -1= 110,1 kJ.mol -1 + xx = 283,6 kJ.mol -1

SLUOVAC A SPALN TEPLASluovac teplo sloueniny je reakn teplo reakce, pi n vznikne jednotkov ltkov mnostv (1 mol) tto sloueniny pmo zprvk vnejstlejm stavu za danch podmnek.

Spaln teplo sloueniny je reakn teplo reakce, pi n se jednotkov ltkov mnostv (1 mol) dan sloueniny zoxiduje na nejstlej oxidy.

STANDARDN SLUOVAC TEPLOStandardn sluovac teplo dan ltky (HT)slu je standardn reakn teplo reakce, pi kter vznikne 1 mol tto ltky pmo zprvk ve standardnm stavu za standardnch podmnek (p=101 325 Pa, T = 298,15 K), piem dan prvky jsou pi zvolen teplot a standardnm tlaku ve sv nejstlej podob. (Napklad pi 25C ns zajm C (grafit) a ne diamant.)

Abychom dostali prvky ve standardnm stavu, nebudeme potebovat dn teplo. Proto je standardn sluovac teplo prvk v jejich nejstlej podob je nulov a tot plat pi vech ostatnch teplotch.

STANDARDN SPALN TEPLOStandardn spaln teplo dan ltky (HT)spal je standardn reakn teplo reakce, pi kter dojde ke splen 1 molu tto ltky v nejstlej podob a standardnch podmnek na konen spaln produkty (obvykle nejstlej oxidy, napklad u uhlku je to CO2, u eleza je to Fe2O3, apod.).Standardn spaln teplo onch nejstlejch oxid je tak nulov

VPOTY ZE SLU. TEPEL

VPOTY ZE SPAL. TEPEL

REAKN TEPLA ZA VYCH TEPLOT