Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Wykład 1

Chemia fizyczna - wykład 1

Anna Ptaszek

Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego

5 października 2015

1 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Podstawowe pojęcia

Układ termodynamiczny

To zbiór niezależnych elementów, które oddziałują ze sobątworząc integralną część świata fizycznego.

UK AD

OTOCZENIE

PRZEGRODA

2 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Podstawowe pojęcia

Podstawowe parametry termodynamiczne, które opisują stanukładu

intensywne:T - temperatura,p - ciśnienie,c - stężenie,ρ - gęstość,v - objętość właściwa,x -ułamek molowy.

ekstensywne:V - objętość układu,n - liczba moli,m - masa.

3 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Podstawowe pojęcia

Faza

to wydzielona widocznymi granicami (powierzchnią fazową)jednolita fizycznie i chemicznie część układu.

Stany skupienia materii:gazowy, ciekły, stały i plazma.

Płyny

to ciecze i gazy.

4 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Właściwości płynów

Równanie stanu płynu

jednoznacznie opisuje stan płynu (gazu lub cieczy) za pomocątermodynamicznych parametrów stanu dla płynów:

doskonałych (idealnych), w których nie ma oddziaływańpomiędzy cząsteczkami, a zderzenia są sprężyste (a więcbez straty energii)

niedoskonałych (rzeczywistych), czyli w zasadziewszystkich znanych nam płynów, w których cząsteczkimogą się odpychać lub przyciągać, a zderzenia pomiędzynimi powodują rozproszenie energii

5 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Właściwości płynów

Płyny doskonałe opisuje następujące równanieClausiusa-Clapeyrona:

p · V = n · R · T

V - objętość płynu, m3

n - liczba moli, mol

p · v = R · T

v - objętość właściwa, m3

mol

6 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Właściwości płynów

obj to cieczy = obj to paryv

T1

T2

T3

T4

7 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Właściwości płynów

Zastosowanie równania Clausiusa-Clapeyrona:pierwsze przybliżenie gęstości gazu o pewnym znanym ciśnieniup, pod określoną temperaturą T

v =R · Tp

ρ =Mv

M - masa molowa gazu, kgmol

8 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Właściwości płynów

Przykład: obliczyć gęstość pary wodnej w 20oC i 100oC iporównać z danymi tabelarycznymi.Rozwiązanie Ciśnienie pary wodnej w 20oC wynosi 2370Pa aw 100oC 100000Pa. Wiedząc, że masa molowa wody wynosiM = 18 gmol = 0, 018 kgmol otrzymujemy:

v20oC =R · Tp

=8, 314 · (20 + 273)

2370= 1, 028

m3

mol

ρ20oC =Mv

=0, 0181, 028

= 0, 018kgm3

v100oC =R · Tp

=8, 314 · (100 + 273)

100000= 0, 031

m3

mol

ρ100oC =Mv

=0, 0180, 031

= 0, 581kgm3

9 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Właściwości płynów

Zestawieniedanych doświadczalnych ρ i obliczonych w przykładzie ρobl

T, oC ρ, kg/m3 ρobl , kg/m3

20 0,0215 0,018100 0,6337 0,581

W wyniku oddziaływań, cząsteczki wody zajmują mniejsząobjętość niż wynika to z równania stanu gazu doskonałego.Z tego powodu gęstość obliczeniowa jest mniejsza niżwyznaczona doświadczalnie.

10 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Właściwości płynów

Dobry opis stanu gazu rzeczywistego wymaga wprowadzeniapoprawek, które opisują oddziaływania pomiędzy cząsteczkami.

p · v = z · R · T

z - współczynnik ściśliwości

11 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

równanie van der Waalsa:(p +av2

)· (v − b) = R · T

a- stała uwzględniająca oddziaływania pomiędzy cząsteczkami,b- stała charakterystyczna dla danego gazu.

12 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Właściwości płynów

vC vG

obj to cieczy obj to pary

v

13 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Właściwości płynów

Wirialne równanie stanu:

p · v = R · T(

1 +Av

+Bv2 + ...

)

drugi wspó czynnik wirialu

trzeci wspó czynnikwirialu

14 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Funkcje termodynamiczne

Energia

Trzeba sobie uświadomić fakt, że nadal nie potrafimyzdefiniować energii. (Richard Feynman)

Rodzaje energii

wewnętrzna, kinetyczna, potencjalna, magnetyczna,elektryczna, nuklearna...

Energia może być wymieniana na sposób pracy lub ciepła.

15 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Funkcje termodynamiczne

Układ może wykonywać pracę objętościową w warunkachstałego ciśnienia.

V1 V2

16 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Funkcje termodynamiczne

Ciepło może być pobrane z otoczenia lub do niegoodprowadzone.

To

Ts Ts

To

To<TsTo>Ts

17 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Funkcje termodynamiczne

Układ

może być otwarty lub zamknięty.

E

N

E

R

G

I

A

MASA

E

N

E

R

G

I

A

18 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Funkcje termodynamiczne

Podstawowe funkcje termodynamiczne

entalpia, ∆H,∆H = ∆U + ∆(p·V )

entropia, ∆S

energia Gibbsa, ∆G

19 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Funkcje termodynamiczne

Entropia i chaos

Entropia to miara nieuporządkowania układu (chaos).Entropia każdego układu rośnie.

20 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Funkcje termodynamiczne

Przykład: entropia układu i otoczenia

UK

AD

O

T

O

C

Z

E

N

I

E

21 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Funkcje termodynamiczne

Dlaczego entalpia jest tak ważna?

Entalpia określa ilość energii jaka może być wymieniona nasposób:pracy,lub ciepła,lub pracy i ciepła.

22 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Funkcje termodynamiczne

Przykład: parowanie cieczy

T

czas

ogrzewanie

cieczy,

częściowe

odparowanie

wrzenie,

parowanie

z całej

objętości

23 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Funkcje termodynamiczne

Przykład: parowanie wodygrzanie ⇐⇒ wzrost temperaturywrzenie ⇐⇒ przemiana fazowa ⇐⇒ praca objętościowa

T, oC ρ, kg/m3 v, m3/kg

ciecz 20 998.2 0.0010para 20 0.0215 46.52ciecz 100 958.4 0.0010para 100 0.6337 1.725

24 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Funkcje termodynamiczne

Ciepło parowania r.

T, oC Hciecz , kJ/kg Hgaz , kJ/kg r=∆H, kJ/kg

10 51.6 2524.2 2470.620 87.1 2538.9 2451.850 212.3 2592.9 2380.6

100 426.5 2678.7 2252.2

25 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Funkcje termodynamiczne

r - entalpia parowania, kJkg

Ilość energii potrzebna do odparowania 1kg cieczy pod stałymciśnieniem.

cp - ciepło właściwe, kJkg ·K

Ilość energii potrzebna do ogrzania 1kg substancji o 1K.

26 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Funkcje termodynamiczne

ciepło parowania wybranych cieczy - zależność temperaturowa

27 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Reguła faz Gibbsa

Reguła faz lub reguła faz Gibbsas = α− β + 2s – liczba stopni swobody, czyli liczba zmiennych intensywnych,które można zmieniać bez jakościowej zmiany układu (bezzmiany liczby faz w równowadze),α – liczba niezależnych składników, a więc takich, które niedają się określić za pomocą zależności stechiometrycznychpoprzez stężenia innych składników (niezależnych),β – liczba faz, a więc postaci materii jednorodnej chemicznie ifizycznie.

28 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Reguła faz Gibbsa

Jakich układów dotyczy równowaga fazowa?

Równowaga fazowa dotyczy układów:

jednoskładnikowych

wieloskładnikowych

Warunek równowagi

oznacza, że gdy układ znajduje się w stanie równowagi fazowejto potencjały chemiczne każdego składnika są sobie równe wewszystkich fazach.

29 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Reguła faz Gibbsa

0.06 atm

0.01

.(218 atm 374°C)

punktkrytyczny

wodaciek alód

para wodna

T

P

punkt potrójny

30 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Reguła faz Gibbsa

Zgodnie z regułą faz Gibbsa ciśnienie p oraz temperaturaT jednoznacznie wyznaczają stan takiego układu. Oznaczato, że:

znajomość temperatury powoduje, że możemy wyznaczyćciśnienieznajomość ciśnienia jednoznacznie określa temperaturę.

31 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Reguła faz Gibbsa

Zgodnie z regułą faz Gibbsa ciśnienie p oraz temperaturaT jednoznacznie wyznaczają stan takiego układu. Oznaczato, że:znajomość temperatury powoduje, że możemy wyznaczyćciśnienie

znajomość ciśnienia jednoznacznie określa temperaturę.

31 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Reguła faz Gibbsa

Zgodnie z regułą faz Gibbsa ciśnienie p oraz temperaturaT jednoznacznie wyznaczają stan takiego układu. Oznaczato, że:znajomość temperatury powoduje, że możemy wyznaczyćciśnienieznajomość ciśnienia jednoznacznie określa temperaturę.

31 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Reguła faz Gibbsa

1 atm

0

0

100

.lód

P

T

wodaciek a

para wodna

32 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Reguła faz Gibbsa

1 atm

0

0

100

.woda

ciek

33 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Reguła faz Gibbsa

Równowaga ciecz-para

przemiana fazowa (parowanie/skraplanie) zachodzi w stałejtemperaturze i pod stałym ciśnieniem.

Temperatura wrzenia

to taka temperatura, w której prężność (ciśnienie) pary nadcieczą jest równa ciśnieniu otoczenia

34 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Reguła faz Gibbsa

p

T

ciecz

para

etanolwoda

TwA Tw

W

pAtm

To

pnApnW

35 / 36

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Reguła faz Gibbsa

Równanie Antoine’a

to popularne równanie opisujące zależność prężności pary odtemperatury

log(p) = A+BC + T

(1)

36 / 36