Chemia fizyczna - wyk ad 1 - KIAPS · wykład 1 Anna Ptaszek Właściwości płynów Zestawienie...

Chemiafizyczna -wykład 1

Anna Ptaszek

Wykład 1

Chemia fizyczna - wykład 1

Anna Ptaszek

Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego

5 października 2015

1 / 36


Anna Ptaszek

Podstawowe pojęcia

Układ termodynamiczny

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

UK AD

OTOCZENIE

PRZEGRODA

2 / 36


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


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


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


Anna Ptaszek


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


Anna Ptaszek


obj to cieczy = obj to paryv

T1

T2

T3

T4

7 / 36


Anna Ptaszek


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


Anna Ptaszek


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


Anna Ptaszek


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


Anna Ptaszek


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

p · v = z · R · T

z - współczynnik ściśliwości

11 / 36


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


Anna Ptaszek


vC vG

obj to cieczy obj to pary

v

13 / 36


Anna Ptaszek


Wirialne równanie stanu:

p · v = R · T(

1 +Av

+Bv2 + ...

)

drugi wspó czynnik wirialu

trzeci wspó czynnikwirialu

14 / 36


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


Anna Ptaszek


Układ może wykonywać pracę objętościową w warunkachstałego ciśnienia.

V1 V2

16 / 36


Anna Ptaszek


Ciepło może być pobrane z otoczenia lub do niegoodprowadzone.

To

Ts Ts

To

To<TsTo>Ts

17 / 36


Anna Ptaszek


Układ

może być otwarty lub zamknięty.

E

N

E

R

G

I

A

MASA

E

N

E

R

G

I

A

18 / 36


Anna Ptaszek


Podstawowe funkcje termodynamiczne

entalpia, ∆H,∆H = ∆U + ∆(p·V )

entropia, ∆S

energia Gibbsa, ∆G

19 / 36


Anna Ptaszek


Entropia i chaos

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

20 / 36


Anna Ptaszek


Przykład: entropia układu i otoczenia

UK

AD

O

T

O

C

Z

E

N

I

E

21 / 36


Anna Ptaszek


Dlaczego entalpia jest tak ważna?

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

22 / 36


Anna Ptaszek


Przykład: parowanie cieczy

T

czas

ogrzewanie

cieczy,

częściowe

odparowanie

wrzenie,

parowanie

z całej

objętości

23 / 36


Anna Ptaszek


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


Anna Ptaszek


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


Anna Ptaszek


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


Anna Ptaszek


ciepło parowania wybranych cieczy - zależność temperaturowa

27 / 36


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


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


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


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


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


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


Anna Ptaszek

Reguła faz Gibbsa

1 atm

0

0

100

.lód

P

T

wodaciek a

para wodna

32 / 36


Anna Ptaszek

Reguła faz Gibbsa

1 atm

0

0

100

.woda

ciek

33 / 36


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


Anna Ptaszek

Reguła faz Gibbsa

p

T

ciecz

para

etanolwoda

TwA Tw

W

pAtm

To

pnApnW

35 / 36


Anna Ptaszek

Reguła faz Gibbsa

Równanie Antoine’a

to popularne równanie opisujące zależność prężności pary odtemperatury

log(p) = A+BC + T

(1)

36 / 36

Chemia fizyczna - wyk ad 1 - KIAPS · wykład 1 Anna Ptaszek Właściwości płynów Zestawienie...

Documents

Transcript of Chemia fizyczna - wyk ad 1 - KIAPS · wykład 1 Anna Ptaszek Właściwości płynów Zestawienie...