TERMODINAMIKA

osnovni pojmovi

energija, rad, toplota

TERMODINAMIKA

TERMO TOPLO

DINAMO SILA

Termodinamika-nauka odnosno nauna disciplina koja ispituje odnose izmeu promena u

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

jednog vida (oblika) energije u drugi.

Poetak razvoja termodinamike-prouavanje toplotnih maina (Karnoo)

nauka o kretanju toplote

O pokretakoj sili ognja i mainama sposobnim da razviju tu silu"

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

Klasina termodinamika se ne bavi atomsko-molekulskom strukturom i reakcionim

mehanizmom (termodinamika i kinetika teorija gasova). Npr. objanjenje temperature preko

kinetike energije (kinetika teorija gasova) a u termodinamici je neovisna o posmatranju samog

molekula (makroskopski se posmatra).

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

nije termodinamika promenjiva.

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

vezani za promenu stanja materije praene energetskim promenama.

Tehnika termodinamika-primena termodinamikih zakona na toplotne maine, odnosno

uzajamno pretvaranje toplote i rada.

Hemijska termodinamika (termohemija)-primena termodinamikih principa za

prouavanje sistema sa hemijskim i faznim promenama.

TERMODINAMIKA

OPTA

TEHNIKA

HEMIJSKA

hemijska reakcija hemijska jednaina

hemijska termodinamika

ime se bavi termodinamika?

uslovima pod kojima se proces odigrava

prouava toplotne efekte (koliinu toplote i rad), koji se javljaju odigravanjem hemijskih reakcija i faznih prelaza

odnosno prouava promene energije koje prate proces

objanjava mogunost spontanog odigravanja hemijskih reakcija ili faznih prelaza u odreenim uslovima

uslovima pod kojima razliiti procesi dostiu stanje ravnotee

odnosno utvruje smer odigravanja hemijske reakcije

objanjava sve procese u svim agregatnim stanjima ak i u plazmi i dovodi ih u vezu sa energetskim promenama

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

OSNOVNI TERMODINAMIKI POJMOVI

termodinamiki sistem

termodinamike osobine ili termodinamike promenjive

stanje sistema i parametri stanja

termodinamiki proces

termodinamika ravnotea

SISTEM

deo univerzuma koji je predmet ispitivanja:

uzorak u balonu, epruveti; elektrolitika elija; iva elija ...a sve ostalo je okolina

OKOLINA SISTEM

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

sistema ili izmeu sistema i okoline (razmena mase, razmena toplote i vrenje rada)

Termodinamiki sistem

vodeno kupatilo; termostat; atmosfera...

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

kontinuirano menjaju od take do take tj. nema take ili povrine unutar sistema, osim

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

faze (na primer: gasovi, smee gasova, iste tenosti, teni i vrsti rastvori)-monofazan

sistem.

Heterogeni sistem-postoje take ili povrine gde se neka ili vie osobina naglo menjaju.

Moe se sastojati iz veeg broja homogenih delova odnosno sastoji se od dve ili vie

faza ( na primer: tenost i para iznad rastvora, dve tenosti koje se ne meaju, tenost i

vrsta supstanca ili dve vrste supstance).

Faza-fiziki i hemijski homogeni deo heterogenog sistema koji je svojom graninom

povrinom odvojen od ostalih delova sistema. Svaka faza se moe sastojati od vie

komponenata.

Komponenta je element ili jedinjenje koje se u istom stanju moe izolovati.

Sistemi

Otvoren: iva elija, veliki broj industrijskih

aparata, soba - tipian primer otvorenog sistema

Zatvoren: gas u cilindru sa klipom u kontaktu sa

termostatom. Masa pojedinih komponenti moe da

se menja samo kao rezultat spontane hemijske

reakcije unutar sistema.

Izolovan: gas ili tenost u cilindru sa toplotno

neprovodnom oblogom

Vrste sistema

granica sistema

Termodinamiki kontakt veza izmeu dva sistema koja omoguava interakciju

izmeu njih:

mehanika ako jedan sistem nad drugim vri mehaniki rad

estina ako se vri preraspodela estica izmeu sistema

toplotna ako se prenosi energija izmeu sistema

adijabatska ako granica sistema onemoguava toplotnu interakciju

Termostat-spoljanja okolina termodinamikog sistema koja mu obezbeuje

konstantnu temperaturu

Termodinamike osobine ili promenjive

opisuju termodinamiki sistem

etiri se mogu neposredno meriti ime se definie stanje sistema pa se nazivaju parametrima stanja (pritisak, zapremina, temperatura i sastav sistema)

jedno odreeno stanje sistema karakterie se nepromenjivou parametara stanja tokom proizvoljno dugog vremenskog intervala

ekstenzivni osobine ili faktori kapaciteta- zavise od koliine materije (masa, zapremina, entropija, entalpija itd). Imaju aditivan karakter pa je npr. V=Vi

intenzivni osobine ili faktori intenziteta- ne zavise od koliine supstance u sistemu (gustina, pritisak, temperatura, indeks prelamanja, povrinski napon,

molarna zapremina, molska frakcija itd.)

ekstenzivni parametri mogu postati intenzivni svoenjem na jedininu vrednost, jer je kolinik dve ekstenzivne veliine intenzivna veliina. Na primer: masa i

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

specifina 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 odreena onda su i sve druge osobine

sistema odreene.

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

f(P, V, T)=0

npr. PV=nRT

opti oblik jednaine stanja (j-na koja povezuje osnovne

parametre)

jednaina stanja idealnog gasa

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

Termodinamiki parametri definiu samo odreeno stanje bez obzira na prethodna stanja iz ega

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

od poetnog i krajnjeg stranja. Takve veliine se zovu funkcije stanja sistema to znai da je ta

promena data totalnim ili pravim diferencijalom.

Parametri nisu nezavisno promenljivi odnosno izmeu njih postoji odreena funkcionalna

zavisnost.

dTT

VdP

P

VdV

TPfV

PT

),(

totalni ili pravi diferencijal

dV- beskonano mala promena parcijalni izvod funkcije V

2

1

12

V

V

VVVdV

konana promena V iz stanja 1 u stanje 2: zbir

beskonano malih promena, odnosno integral te

funkcije

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

puta inegracije ve samo od krajnjih taaka pa su to funkcije stanja sistema

Y=f( P,T, n1,n2ni)

Y=Y(B) - Y(A)

neka funkcija koja u potpunosti karakterie

jedno stanje sistema

poetno stanje

krajnje stanje

Prelaz iz stanja A u stanje B moe da se ostvari razliitim putevima. Promena funkcije

stanja zavisi samo od poetnog i krajnjeg stanja, a ne zavisi od puta izmeu tih

stanja

zagrevanje vode na 60C

I zagrevanjem od sobne temperature npr. 20C

do 60C

II zagrevanjem do kljuanja, a onda hlaenjem

do 60C

-poetna i krajnja temperatura je ista i iznosi 20C odnosno 60C

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

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

0dU

ciklus Yi=0

promene Y u svakom stupnju ciklusa

ciklus ili kruni proces (vraanje na poetno stanje)

u funkcije stanja sistema ubrajaju samo one termodinamike veliine ije su

ukupne promene u krunom procesu jednake nuli

npr. promena unutranje energije jednog ciklusa

Termodinamiki proces

promena stanja sistema

kada se u sistemu deava neka promena ne znai da se sistem menja ve se menja stanje odnosno menja se jedna ili vie termodinamikih osobina sistema koje su

parametri stanja

ako se pri odigravanju procesa zapaa promena hemijskog sastava onda se taj proces naziva hemijska reakcija

izotermski ( T=const.); dU=0; izvode se u termostatima

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

izohorski ( V=const.); zatvoren sud tj. konstantna zapremina, V=O, menja se samo pritisak

sa promenom temperature

adijabatski (nema razmene energije u obliku toplote izmeu sistema i okoline iz ega sledi da

se ne menja temperatura okoline a menja se 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 oslobaa toplota iz sistema (npr. sagorevanje)

dijatermiki zidovi-omoguen transfer energije kao toplote (elik, bakar, staklo...)

adijabatski zidovi-onemoguen transfer energije (Djuarov sud-veoma dobro izolovana

posuda visokim vakuumom)

-U veini sluajeva se T sistema menja za vreme promene stanja

sistema (T2>T1ili T2

Endotermni procesi u adijabatskim

uslovima-sniava se temperatura sistema

Egzotermni procesi u adijabatski uslovima-

poveava se temperatura sistema

Endotermni procesi u dijatermikim

uslovima-toplota u sistem (temperatura sistema

se ne menja)

Egzotermni procesi u dijatermikim

uslovima-oslobaanje toplote u okolinu

(temperatura sistema se ne menja)

Ravnoteno stanje ili stanje ravnotee

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 takoe ne menjaju, ali dolazi do transporta mase i energije

za sistem se kae da se nalazi u stanju termodinamike ravnotee ako je u stanju u kome se nijedna termodinamika veliina ne menja i kad

istovremeno postoje 3 tipa ravnotee:

-termika:u svakom njegovom delu temperatura konstantna

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

na okolinu

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

svim takama sistema

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

-rad se vri za vreme nekog procesa kada se taj proces moe iskoristiti za promenu visine

tega odreene mase u okolini

-rad se vri kada gas, irei se, pomera klip u cilindru i podie teg

-sistem vri rad ako podie teg u okolini a prima rad ako se teg sputa

-energija je oblik postojanja materije, svako telo poseduje energiju

-energija je mera sposobnosti tela da izvri rad

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

povezani

Unutranja ili sopstvena energija sistema, U predstavlja ukupnu (kinetiku i

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

kinetika energiju translacije, rotacije i

vibracije potencijalna energiju meusobnih interakcija estica

energije elektrona, jezgara i veza atoma

u molekulima

Unutranja energija sistema ne obuhvata potencijalnu energiju sistema kao celine

usled njegovog poloaja u prostoru i kinetiku energiju kretanja sistema kao celine. U termodinamici se posmatraju sistemi koji miruju i nalaze se van gravitacionog ili

elektromagnetnog polja.

Apsolutna vrednost unutranje energije nije poznata (nemogue je znati sve njene

komponente) i u termodinamici je vano znati promenu unutranje energije, U.

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

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

u ekstenzivne osobine sistema. Unutranja energija sistema vie tela jednaka je zbiru unutranjih energija svakog od njih ponaosob i energijama interakcija meu njima (u tankom

sloju na granici tela; mala je i moe se zanemariti)

Toplota dovedena sistemu poveava pokretljivost molekula usled ega raste

unutranja energija a samim tim se poveava i temperatura sistema koja je direktna mera

unutranje energije.

Rad koji sistem vri ili se nad njim vri takoe izaziva promenu unutranje nergije

koja moe da se smanjuje ili raste.

Energija se definie kao sposobnost sistema da vri rad tako da kada:

vrimo rad na nekom sistemu (sabijamo gas) poveavamo mu sposobnost za vrenje rada,

odnosno poveavamo mu energiju

sistem vri rad (pomera se klip pa se gas iri) energija se smanjuje, sistem moe da vri manje

rada nego ranije

W = Fdl

rad sila koja deluje na telo

beskonano mali put odnosno rastojanje za koje

pomeramo telo

Termodinamika-rad pri promeni zapremine (irenje ili

sabijanje gasa) a zbog gasova koji uestvuju u

reakcijama.

cilindar

pokretni klipom bez mase i trenja

dva graninika koji dre klip na odreenoj

visini

poetna zapremina gasa V1 i pritisak P

ako je spoljanji pritisak Pex < P gas se iri nasuprot

spoljanjem pritisku

dW =- Fdz izvren rad irenja

Pex= F / A povrina klipa

dW=-Pex A dz A dz = V

W = -P V

Znak minus zato to se vri rad nasuprot dejstva sile to dovodi do smanjenja unutranje

energije sistema.

Ukoliko je manji spoljanji pritisak utoliko gas vri manji rad, i ako je na kraju P2 = 0 onda

se pri irenju gasa ne vri rad odnosno gas se slobodno iri (irenje gasa u vakuunu).

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

funkcija stanja sistema ve da zavisi od puta kojim sistem prolazi iz poetnog u krajnje stanje.

Drugi nain promene energije je zbog razlike u temperaturi izmeu sistema i okoline i tada

kaemo da se energija prenosi kao toplota zbog postojanja temperaturske razlike, za razliku od

rada koji predstavlja oblik prenoenja energije zbog dejstva sila du puta.

Rad-ureeni oblik predaje energije (prenos

energije organizovano, ureenim kretanjem

molekula kao kada se teg die ili sputa njegovi

atomi se kreu organizovano)

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

Toplota-kada se energija prenosi okolini u

vidu toplote stimulie se haotino kretanje

molekula okoline

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

Rad se moe prevesti u toplotu bez ikakvog ogranienja, dok se toplota moe prevesti u rad

samo uz odreene uslove.

Rad se moe neposredno prevesti u bilo koji oblik energije, meutim energija (toplota) bez

prethodnog prevoenja u rad moe da se iskoristi jedino za popunjavanje zaliha tj. unutranje

energije.

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

*Unutranja energija kao i oblici njenog prenoenja, toplota i rad izraavaju se u istim jedinicama J (1J=Nm=1kgm2 s-2 odnosno 1J=Pam3).

Po konvenciji znak se odreuje zavisno od toga da li sadraj unutranje energije sistema

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

energiju a negativan kada je sistem odaje.

Apsorbovana toplota je pozitivna, jer tada sadraj energije raste, a osloboena toplota je

negativna jer tada energija sistema opada.

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

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

energija sistema se poveava).