TERMODINAMIKA

osnovni pojmovi

energija, rad, toplota

TERMODINAMIKA

TERMOTOPLO

DINAMOSILA

Termodinamika-nauka odnosno naučna disciplina koja ispituje odnose između promena u

sistemima i energetskih efekata koje prate te promene. Termodinamika proučava pretvaranje

jednog vida (oblika) energije u drugi.

Početak razvoja termodinamike-proučavanje toplotnih mašina (Karnoo)

nauka o kretanju toplote

“O pokretačkoj sili ognja i mašinama sposobnim da razviju tu silu"

Prvo je bila primenjena na hemijskim pa onda na fizičkim procesima.

Klasična termodinamika se ne bavi atomsko-molekulskom strukturom i reakcionim

mehanizmom. Objašnjenje temperature preko kinetičke energije (kinetička teorija gasova). U

klasičnoj termodinamici je temperatura neovisna o posmatranju samog molekula (makroskopski

se posmatra).

Statistička termodinamika se bavi atomsko-molekulskom strukturom na bazi teorije

verovatnoće.

Termodinamika govori o mogućnosti odigravanja hemijske reakcije ali ne i o brzini jer vreme

nije termodinamička promenljiva.

Opšta termodinamika-osnovni principi (zakoni) i zakonitosti koje iz njih proizilaze;

razmatranje procesa vezanih za promenu stanja materije praćeni energetskim promenama.

Tehnička termodinamika-primena termodinamičkih zakona na toplotne mašine, odnosno

uzajamno pretvaranje toplote i rada.

Hemijska termodinamika (termohemija)-primena termodinamičkih principa za

proučavanje sistema sa hemijskim i faznim promenama.

TERMODINAMIKA

OPŠTA

TEHNIČKA

HEMIJSKA

hemijska reakcija hemijska jednačina

sve ostalo-hemijska termodinamika

Čime se bavi termodinamika?

• uslovima pod kojima se proces odigrava

• proučava toplotne efekte (količinu toplote i rad), koji se javljaju odigravanjem hemijskih

reakcija i fizičkih procesa odnosno proučava promene energije koje prate proces

• objašnjava mogućnost spontanog odigravanja hemijskih reakcija i fizičkih procesa u

određenim uslovima odnosno utvrđuje smer odigravanja hemijske reakcije

• uslovima pod kojima različiti procesi dostižu stanje ravnoteže

• objašnjava sve procese u svim agregatnim stanjima čak i u plazmi i dovodi ih u vezu sa

energetskim promenama

Karno , Džul, Tomson, Bertlo, Kirhof , Gibs, Helmholc, van Hof, Nernst....

OSNOVNI TERMODINAMIČKI POJMOVI

• termodinamički sistem

• termodinamičke osobine ili termodinamičke

promenljive

• stanje termodinamičkog sistema i parametri stanja

• termodinamički proces

• termodinamička ravnoteža

SISTEM

deo univerzuma koji je predmet ispitivanja:

uzorak u balonu, epruveti; elektrolitička ćelija; živa ćelija ...a sve ostalo je okolina

OKOLINASISTEM

ako dolazi do razmene energije ili mase ili i jednog i drugog između pojedinih delova

sistema ili između sistema i okoline (razmena mase, razmena toplote i vršenje rada)

termodinamički sistem

vodeno kupatilo; termostat; atmosfera...

Homogeni sistem-u svim svojim delovima sve osobine (fizičke i hemijske) su iste, ili se

kontinuirano menjaju od tačke do tačke tj. nema tačke ili površine unutar sistema, osim

granica sistema, gde dolazi do nagle promene neke njegove osobine. Sastoji se od jedne

faze (na primer: jedan gas, smeše gasova, čiste tečnosti, tečni i čvrsti rastvori)-monofazan

sistem.

Heterogeni sistem-postoje tačke ili površine gde se neka ili više osobina naglo menjaju.

Može se sastojati iz većeg broja homogenih delova odnosno od dve ili više faza ( na

primer: tečnost i para iznad rastvora, dve tečnosti koje se ne mešaju, tečnost i čvrsta

supstanca ili dve čvrste supstance).

Faza-fizički i hemijski homogeni deo heterogenog sistema koji je svojom graničnom

površinom odvojen od ostalih delova sistema. Svaka faza se može sastojati od više

komponenata.

Komponenta je element ili jedinjenje koje se u čistom stanju može izolovati.

Otvoren: živa ćelija, veliki broj industrijskih aparata, soba - tipičan primer otvorenog sistema

Zatvoren: gas u cilindru sa klipom u kontaktu sa termostatom. Masa pojedinih komponenti

može da se menja samo kao rezultat spontane hemijske reakcije unutar sistema.

Izolovan: nema ni mehanički ni termički kontakt sa okolinom; npr. gas

ili tečnost u cilindru sa klipom i sa toplotno neprovodnom oblogom

odnosno zidom

Uzajamno dejstvo termodinamičkog sistema i okoline, vezano je za razmenu materije odnosno

mase, razmenu toplote i vršenja rada.

granica sistema

Termodinamički kontakt –veza između dva sistema koja omogućava interakciju

između njih koja može biti:

•mehanička ako jedan sistem nad drugim vrši mehanički rad

•čestična ako se vrši preraspodela čestica između sistema

•toplotna ako se prenosi energija između sistema

•adijabatska ako granica sistema onemogućava toplotnu interakciju

Termostat-spoljašnja okolina termodinamičkog sistema koja mu obezbeđuje

konstantnu temperaturu

Termodinamičke osobine ili promenljive

• opisuju termodinamički sistem

• četiri se mogu neposredno meriti čime se definiše stanje sistema pa se nazivaju

parametrima stanja (pritisak, zapremina, temperatura i sastav sistema)

• jedno određeno stanje sistema karakteriše se nepromenjivošću parametara stanja

tokom proizvoljno dugog vremenskog intervala

• ekstenzivne osobine ili faktori kapaciteta- zavise od količine materije (masa,

zapremina, entropija, entalpija itd). Imaju aditivan karakter pa je npr. V=∑Vi

• intenzivne osobine ili faktori intenziteta- ne zavise od količine supstance u

sistemu (gustina, temperatura, indeks prelamanja, površinski napon, molarna

zapremina, molska frakcija itd.)

• ekstenzivni parametri mogu postati intenzivni svođenjem na jediničnu vrednost,

jer je količnik dve ekstenzivne veličine intenzivna veličina. Na primer: masa i

zapremina su ekstenzivni parametri, ali gustina (masa jedinice zapremine) i

specifična zapremina (zapremina jedinice mase) su intenzivni parametri

Ako je sistem homogen i sastoji se od jedne komponente sastav je onda poznat pa su

parametri stanja p, V i T. Ako su ova tri parametra određena onda su i sve druge osobine

sistema određene.

Za definisanje ovakvog sistema dovoljno je poznavanje dva od tri parametra.

f(p, V, T)=0

npr. pV=nRT

opšti oblik jednačine stanja (j-na koja povezuje osnovne

parametre)

jednačina stanja idealnog gasa

Ako je sistem heterogen onda svaka faza ima svoju sopstvenu jednačinu stanja.

Termodinamički parametri definišu samo određeno stanje bez obzira na prethodna stanja iz čega

sledi da promena bilo koje osobine sistema, kao posledica promene stanja sistema, zavisi samo

od početnog i krajnjeg stranja. Takve veličine se zovu funkcije stanja sistema što znači

matematički da je ta promena data totalnim, potpunim ili pravim diferencijalom.

Parametri nisu nezavisno promenljivi odnosno između njih postoji određena funkcionalna

zavisnost.

dTT

Vdp

p

VdV

TpfV

pT

+

=

= ),(

totalni ili pravi diferencijal

dV- beskonačno mala promena parcijalni izvod funkcije V

=−=2

1

12

V

V

VVVdV

konačna promena V iz stanja 1 u stanje 2: zbir

beskonačno malih promena, odnosno integral te

funkcije

ako je podintegralna veličina pravi diferencijal, onda rezultat integraljenja ne zavisi od

puta inegracije već samo od krajnjih tačaka pa su to funkcije stanja sistema

beskonačno mala promena V proporcionalna beskonačno maloj promeni p i T a

koeficijenti proporcionalnosti su odgovarajući parcijalni izvodi

Y=f( p,T, n1,n2···ni)

∆Y=Y(B) - Y(A)

neka funkcija koja u potpunosti karakteriše

jedno stanje sistema

početno stanje

krajnje stanje

Prelaz iz stanja A u stanje B može da se ostvari različitim putevima. Promena funkcije

stanja zavisi samo od početnog i krajnjeg stanja, a ne zavisi od puta između tih

stanja

zagrevanje vode na 60°C

I zagrevanjem od sobne temperature npr. 20°C

do 60°C

II zagrevanjem do ključanja, a onda hlađenjem

do 60°C

-početna i krajnja temperatura je ista i iznosi 20°C odnosno 60°C

-razmenjuje se toplota sa okolinom (ili se oslobađa ili se apsorbuje)

-toplota zavisi od puta prelaska iz jednog u drugo stanje sistema kao i rad

= 0dU

promene Y u svakom stupnju ciklusa

ciklus ili kružni proces (vraćanje na početno stanje)

u funkcije stanja sistema ubrajaju se samo one termodinamičke veličine čije su

ukupne promene u kružnom procesu jednake nuli

npr. promena unutrašnje energije jednog ciklusa

𝑐𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠

∆𝑌𝑖 = 0 𝑜𝑑𝑛𝑜𝑠𝑛𝑜 ර𝑑𝑌 = 0

Termodinamički proces

• promena stanja sistema

• kada se u sistemu dešava neka promena ne znači da se sistem menja već se menja

stanje odnosno menja se jedna ili više termodinamičkih osobina sistema

• ako se pri odigravanju procesa zapaža promena hemijskog sastava onda se taj

proces naziva hemijska reakcija

•izotermski (T=const. tj. ΔT=0); izvode se u termostatima

•izobarski (p=const. tj. Δp=0); otvoren sud tj. atmosferski pritisak, nema promene pritiska

•izohorski (V=const. tj. ΔV=0); zatvoren sud tj. konstantna zapremina; menja se samo pritisak

sa promenom temperature

•adijabatski (nema razmene energije u obliku toplote između sistema i okoline iz čega sledi da

se ne menja temperatura okoline a može da se menja temperatura sistema)

•izobarsko – izotermski ( p=const. i T=const.)

•izohorsko – izotermski ( V=const. i T=const.)

•endotermni procesi-procesi u kojima se apsorbuje energija kao toplota (npr. isparavanje

vode)

•egzotermni procesi-procesi u kojima se oslobađa toplota iz sistema (npr. sagorevanje)

•dijatermički zidovi-omogućen transfer energije kao toplote (čelik, bakar, staklo...)

•adijabatski zidovi-onemogućen transfer energije (Djuarov sud-veoma dobro izolovana

posuda visokim vakuumom)

-U većini slučajeva se T sistema menja za vreme promene stanja

sistema (T2>T1ili T2<T1) i tada između sistema i okoline nema

razmene toplote i to su adijabatski procesi

-Ako se promena dešava tako da je T=const. onda se toplota

razmenjuje sa okolinom i to su izotermski procesi

Razlika izotermski-adijabatski proces!!!

Endotermni procesi u adijabatskim

uslovima-snižava se temperatura sistema

Egzotermni procesi u adijabatski uslovima-

povećava se temperatura sistema

Endotermni procesi u dijatermičkim

uslovima-toplota u sistem (temperatura sistema

se ne menja) Egzotermni procesi u dijatermičkim

uslovima-oslobađanje toplote u okolinu

(temperatura sistema se ne menja)

Ravnotežno stanje ili stanje ravnoteže

• stanje sistema u kome se parametri stanja ne menjaju sa vremenom i ne

dolazi do transporta mase i energije

• stacionarno stanje je stanje u kome se parametri stanja sa vremenom

takođe ne menjaju, ali dolazi do transporta mase i energije

• za sistem se kaže da se nalazi u stanju termodinamičke ravnoteže ako je

u stanju u kome se nijedna termodinamička veličina ne menja odnosno

istovremeno postoje 3 tipa ravnoteže:

-termička:u svakom njegovom delu temperatura konstantna

-mehanička:nema makroskopskih kretanja u sistemu ili sistema u odnosu

na okolinu

-hemijska:ne menja se hemijski sastav tokom vremena odnosno isti je u

svim tačkama sistema

ENERGIJA, RAD I TOPLOTA-sva merenja toplote i promena u energijama uopšte se mogu svesti na direktno merenje

rada

-rad se vrši za vreme nekog procesa kada se taj proces može iskoristiti za promenu visine

tega određene mase u okolini

-rad se vrši kada gas, šireći se, pomera klip u cilindru i podiže teg

-sistem vrši rad ako podiže teg u okolini a prima rad ako se teg spušta

-energija je oblik postojanja materije, svako telo poseduje energiju

-energija je mera sposobnosti tela da izvrši rad

-energija je kvantitativna mera svih oblika kretanja u sistemu; energija i kretanje su uzajamno

povezani

Unutrašnja ili sopstvena energija sistema, U, predstavlja ukupnu (kinetičku i

potencijalnu) energiju sistema, odnosno energiju čestica u sistemu (molekula, atoma, jona).

kinetička energiju translacije, rotacije i

vibracijepotencijalna energiju međusobnih interakcija čestica

energije elektrona, jezgara i veza atoma

u molekulima

Unutrašnja energija sistema ne obuhvata potencijalnu energiju sistema kao celine

usled njegovog položaja u prostoru i kinetičku energiju kretanja sistema kao celine. U

termodinamici se posmatraju sistemi koji miruju i nalaze se van gravitacionog ili

elektromagnetnog polja.

Apsolutna vrednost unutrašnje energije nije poznata (nemoguće je znati sve njene

komponente) i u termodinamici je važno znati promenu unutrašnje energije, ∆U.

Unutrašnja energija sistema zavisi od prirode sistema, njegove mase i od

parametara stanja sistema. Sa povećanjem mase sistema raste energija sistema, pa se ubraja

u ekstenzivne osobine sistema. Molarna unutrašnja energija Um (U/n, J mol-1) je

intenzivna veličina. Unutrašnja energija sistema više tela jednaka je zbiru unutrašnjih energija

svakog od njih ponaosob i energijama interakcija među njima (u tankom sloju na granici tela;

mala je i može se zanemariti)

Toplota dovedena sistemu povećava pokretljivost molekula usled čega raste

unutrašnja energija a samim tim se povećava i temperatura sistema (ukoliko se ne vrši rad)

koja je direktna mera unutrašnje energije.

Rad koji sistem vrši ili se nad njim vrši takođe izaziva promenu unutrašnje nergije

koja može da se smanjuje ili raste (ukoliko se ne razmenjuje toplota).

Energija se definiše kao sposobnost sistema da vrši rad tako da kada:

•vršimo rad na nekom sistemu (sabijamo gas ili rastežemo oprugu) povećavamo mu sposobnost

za vršenje rada, odnosno povećavamo mu energiju

• sistem vrši rad (pomera se klip pa se gas širi) energija se smanjuje, sistem može da vrši manje

rada nego ranije

W = F·dl

rad sila koja deluje na telo

beskonačno mali put odnosno rastojanje za koje

pomeramo telo

Mehanički rad se definiše kao delovanje sile duž puta, odnosno pomeranje napadne tačke

sile u pravcu njenog dejstva

Termodinamika se bavi radom pri promeni zapremine

(širenje ili sabijanje gasa) a zbog gasova koji učestvuju

u reakcijama.

cilindar

pokretni klip bez mase i trenja

dva graničnika koji drže klip na određenoj

visini

početna zapremina gasa V1 i pritisak p1

- ako je spoljašnji pritisak p2 < p1 gas se širi nasuprot

spoljašnjem pritisku

izvršen rad širenja

površina klipa

𝑑𝑊 = −𝐹𝑑𝑧

vrši rad nasuprot dejstva sile što dovodi do smanjenja

unutrašnje energije sistema.

𝑝2 =𝐹

𝑆𝑑𝑊 = −𝑝2𝑆𝑑𝑧 𝑑𝑉 = 𝑆𝑑𝑧

𝑊 = −𝑝2∆𝑉 𝑊 = −𝑝∆𝑉

pritisak gasa koji se za beskonačno malu vrednost dp razlikuje

od spoljašnjeg pritiska p2 jer se proces izvodi reverzibilno

odnosno besakonačno sporo

Ukoliko je manji spoljašnji pritisak utoliko gas vrši manji rad, i ako je na kraju p2 = 0 onda se

pri širenju gasa ne vrši rad odnosno gas se slobodno širi (širenje gasa u vakuumu).

Rad zavisi od puta, odnosno od načina na koji sistem menja stanje iz čega sledi da rad nije

funkcija stanja sistema već da zavisi od puta kojim sistem prolazi iz početnog u krajnje stanje.

Drugi način promene energije je zbog razlike u temperaturi između sistema i okoline i

tada kažemo da se energija prenosi kao toplota zbog postojanja temperaturske razlike, za razliku

od rada koji predstavlja oblik prenošenja energije zbog dejstva sila duž puta.

površine ispod krivih 1 i 2 a između zapremina

V1 i V2 se razlikuju, iako je sistem u oba slučaja

pošao iz istog početnog i stigao u isto krajnje

stanje sistema

Rad-uređeni oblik predaje energije (prenos

energije organizovano, uređenim kretanjem

molekula kao kada se teg diže ili spušta njegovi

atomi se kreću organizovano)

Rad i toplota su načini, oblici predaje energije sa sistema na okolinu i obrnuto

Toplota-kada se energija prenosi okolini u

vidu toplote stimuliše se haotično kretanje

molekula okoline

Rad se može prevesti u toplotu i obrnuto, toplota se može prevesti u rad.

Rad se može prevesti u toplotu bez ikakvog ograničenja, dok se toplota može prevesti u rad

samo uz određene uslove.

Rad se može neposredno prevesti u bilo koji oblik energije, međutim energija (toplota) bez

prethodnog prevođenja u rad može da se iskoristi jedino za popunjavanje zaliha tj. unutrašnje

energije.

Toplota kao i rad nije funkcija stanja sistema već funkcija puta.

*Unutrašnja energija kao i oblici njenog prenošenja, toplota i rad, izražavaju se u istim

jedinicama J (1J=Nm=1kgm2 s-2 odnosno 1J=Pam3).

Po konvenciji znak se određuje zavisno od toga da li sadržaj unutrašnje energije sistema

raste ili opada pa je znak unutrašnje energije, rada i toplote pozitivan, kada sistem prima

energiju a negativan kada je sistem odaje.

Apsorbovana toplota je pozitivna, jer tada sadržaj energije raste, a oslobođena toplota je

negativna jer tada energija sistema opada.

Ako sistem vrši rad, sadržaj energije opada, pa je taj rad negativan (W < 0). Rad koji

sistem prima je pozitivan (W > 0), jer se posmatra energetska promena (u ovom slučaju

energija sistema se povećava).