termodynamika - sspu.sk · termodynamika...

Termodynamika – skúma vzájomné vzťahy medzi rôznymi druhmi energie (mechanické, tepelné,

elektrické, magnetické, chemické a jadrové) pri *termodynamických dejoch, posudzuje

uskutočniteľnosť dejov a podmienky, skúma smer samovoľných dejov, určuje kritéria rovnováhy, fázové

diagramy

Termodynamický stav látky:

� rovnovážny

� nerovnovážny

� založená na 4 termodynamických vetách – axiómy – tzn. neboli vytvorené na základe

experimentov, ale nič sa nevymyká z ich platnosti

� určuje podmienky rovnováhy – sústava sa už nemôže meniť, presnejšie v danom prostredí dosahuje

* zmena sústavy spojená so zmenou aspoň jednej veličiny

Metódy skúmania:

� mikroskopický princíp (individuálny atóm)

� makroskopický princíp (štatistická termodynamika)

1. týždeň ATTF prednášky 001

� určuje podmienky rovnováhy – sústava sa už nemôže meniť, presnejšie v danom prostredí dosahuje

taký stav, pri ktorom nemôže prebiehať žiadny dej (reakcia) spojený s premenou hmoty či energie.

� nerovnovážny stav – snaha vždy prejsť do rovnovážneho stavu (prirodzený a najpravdepodobnejší)

Obr. 1 Stav sústavy (str. 87, obr. 5.4)

� sústava môže mať viacero metastabilných stavov, ale stabilný má len jeden – E je najnižšia(príklad: precipitáty vznikajúce pri rozpade presyteného tuhého roztoku v zliatinách (Al-Cu, Al-Cu-Mg,

Al-Zn-Mg, Cu-Co, Fe-C, Fe-N)

T1< T2

c1 < c2

p1< p2

Možnosti využitia termodynamických vzťahov

Výpočty v oblasti práškovej metalurgie

Termodynamika + vie určiť energetické zmeny, ktoré prebiehajú v systéme (spontánnosť dejov)- nehovorí nič o kinetike procesov

Kompozitné materiály pre extrémne podmienky ako napr.jadrové reaktory (vodiace teplo ale odolné voči mech. pnutiu pri vysokých teplotách)

1. týždeň ATTF prednášky 003Tepelne aktivované procesy

k.T

∆H

eN

n−

=

Výpočty v oblasti práškovej metalurgie

Výpočty v bioaplikáciách(Nanomedicine)

Nanotechnology(GENESYS – Synchrotron)- Neznáma termodynamikananočastíc a adsorbátov

pnutiu pri vysokých teplotách)

„História termodynamiky sa môže kľudne pokladať za jednu z najdramatickejších epizóddejovej línie intelektuálneho progresu ľudského myslenia. K jej enormnému vývoju prispelivedci z najrôznejších oblastí vedy, a nastolili tak nový pohľad na svet“.

Významné mí ľniky v histórii termodynamiky 1

1742 Anders Celsius publikoval: „Observations on twopersistent degrees on a thermometer“, založenomna stupnici tuhnutia (00C) a vrenia vody (100 0C).Systém bol neskôr upravený v roku 1745 CarlomLinnaeus.

1748 M.V.Lomonosov formuloval zákony zachovania hmotya energie.


a energie.

1798 Gróf Rumford (Benjamin Thompson) začal kvantitatívneštúdium premeny práce na teplo: „EnquiryConcerning the Source of Heat which is Excited byFriction“ (známe experimenty s kanónom)

1799 Sir Humphry Davy študuje konverziu práce na teplo (sľadom)

1824 Sadi Carnot publikoval tézu: „Reflections on the MotivePower of Fire“, ktorá zahŕňa nové pochopenie cyklua princíp, kde reverzibilný cyklus motoruoperujúceho medzi dvoma rezervoármi závisí len nateplotách rezervoárov a nie na povahe pracovnejsubstancie.

1842 Mayer postuloval princíp zachovania energie

1847 Helmholtz formuloval princíp zachovania energienezávisle od Mayera

18431843--18481848

JamesJames PescottPescott JouleJoule položilpoložil experimentálnyexperimentálny základzákladprvéhoprvého zákonazákona termodynamikytermodynamiky uskutočnenímuskutočnenímexperimentovexperimentov nana stanoveniestanovenie ekvivalentnostiekvivalentnosti prácepráceaa teplatepla.. (Dodnes(Dodnes sisi ctímectíme tohtotohto velikánavelikána medzimedzi vedcamivedcamitým,tým, žeže používamepoužívame JJ akoako symbolsymbol mechanickéhomechanického ekvivalentuekvivalentuteplatepla..

18481848 LordLord KelvinKelvin (William(William Thomson)Thomson) definovaldefinoval mierumieruabsolútnejabsolútnej teplotyteploty založenejzaloženej nana CarnotovomCarnotovom cyklecykle

18501850 RudolfRudolf JJ.. ClausiusClausius bolbol pravdepodobnepravdepodobne prvýprvý ktokto prišielprišiel nanadvadva základnézákladné princípyprincípy:: prvýprvý aa druhýdruhý zákonzákontermodynamikytermodynamiky.. ZaviedolZaviedol konceptkoncept UU,, dnesdnes nazvanejnazvanejvnútornávnútorná energiaenergia..

18651865 Clausius stanovil prvý aClausius stanovil prvý a druhý zákon termodynamiky druhý zákon termodynamiky vv dvoch bodoch:dvoch bodoch:1.1.Energia vesmíru je konštantná.Energia vesmíru je konštantná.


1.1.Energia vesmíru je konštantná.Energia vesmíru je konštantná.2.2.Entrópia vesmíru má tendenciu ísť kEntrópia vesmíru má tendenciu ísť k maximu.maximu.

18751875 JosianJosian WillardWillard GibbsGibbs publikovalpublikoval historickyhistoricky významnúvýznamnúprácuprácu:: „On„On thethe EquilibriumEquilibrium ofof HeterogeneousHeterogeneousSubstances”,Substances”, ktoráktorá rozširujerozširuje termodynamikutermodynamiku dodovšeobecnejvšeobecnej podoby,podoby, platnejplatnej ajaj prepre heterogénneheterogénne systémysystémyaa chemickéchemické reakciereakcie.. TátoTáto prácapráca zahŕňazahŕňa dôležitýdôležitý konceptkoncept oochemickýchchemických potenciálochpotenciáloch..

18971897 MaxMax PlanckPlanck stanovilstanovil druhýdruhý zákonzákon termodynamikytermodynamikyvv nasledovnejnasledovnej podobepodobe:: „Nie„Nie jeje možnémožné zostrojiťzostrojiť stroj,stroj,ktorýktorý byby produkovalprodukoval vv kompletnomkompletnom cyklecykle inýiný javjav akoakonaberanienaberanie váhyváhy aa chladeniechladenie tepelnéhotepelného rezervoára“rezervoára“..

19091909 CaratheodoryCaratheodory publikovalpublikoval usporiadanieusporiadanie termodynamikytermodynamiky nananovýchnových axiómach,axiómach, založenýchzaložených čistečiste nana matematickejmatematickejbázebáze..

Francúzsky vojenský inžinier a fyzik. Popísal fyzikálny základ parnéhomotora použijúc myšlienkový experiment (Carnotov cyklus). Predstavovalsi, že teplo je výslekom pohybu malých častíc a spočítal (ešte pred R.

Nicholas Léonard Sadi Carnot(1796 - 1832)


si, že teplo je výslekom pohybu malých častíc a spočítal (ešte pred R.Mayerom) mechanický ekvivalent tepla.

V práci „Réflexions sur la puissance du feu et sur les machines propres à développercette puissance" (Paris, 1824) ukázal ako je práca produkovaná parným motoromúmerná teplu preneseného medzi bojlerom a kondenzátorom a, že práca môže byťzískaná z tepla len prenosom z teplejšieho na chladnejšie teleso. (Carnotov cyklus bolneskôr modifikovaný R. Clausiusom na druhý zákon termodynamiky.)

Nemecký fyzik bol profesorom v Zurichu, Wurzburgu, Bonne a je pokladaný zazakladateľa štatistickej mechaniky. ("Über die Art der Bewegung, welche wirWärme nennen").

Rudolf Julius Emanuel Clausius(1822 – 1888)


Formuloval druhý zákon termodynamiky a zaviedol entrópiu ako veličinu na vyjadrenie stavu.V práci nazvanej "Über die bewegende Kraft der Wärme und die Gesetze, welche sich darausableiten lassen" (Poggendorffs "annalen", 1850) zadefinoval základy klasickej termodynamikyz pohľadu mechaniky tepla. Modifikoval Carnotov cyklus tak, že práca produkovaná teplom nieje len úmerná prenosu z teplejšieho na chladnejšie teleso, ale je úmerná aj ich teplotnémurozdielu.Medzi jeho najdôležitejšie publikácie patria: "Abhandlungen über die mechanischeWärmetheorie" (Braunschweig, 1864-67). Druhé vydanie v troch dieloch: Vol. 1: "Diemechanische Wärmetheorie", (1876), Vol. 2: "Die mechanische Behandlung der Elektrizität"(1879), Vol. 3: "Entwicklung der besonderen Vorstellung von der Natur der Wärme als eine Artder Bewegung" (neskôr upravené Planckom a Pulfrichom ako "Kinetische Theorie der Gase"(1889-91)).

Americký fyzik a matematik. J.W.Gibbs je považovaný za jedného zo zakladateľov

Josiah Willard Gibbs(1839 – 1903)


Americký fyzik a matematik. J.W.Gibbs je považovaný za jedného zo zakladateľovmodernej termodynamiky a štatistickej mechaniky.V roku 1896 formuloval „Gibbsov fázový zákon“.

v + f = k + 2

v – stupeň voľnostif – počet fázk – počet komponent

Hermann Ludwig von Helmholtz(1821 – 1894)

Nemecký fyzik a fyziológ. Profesor fyziológie v Königsbergu, Bonne a Heidelbergu. Poroku 1871 profesor fyziky v Berlíne. V roku 1888 sa stal šéfom novo založenejPhysikalisch-Technische Reichsanstalt v Charlottenburgu.


Physikalisch-Technische Reichsanstalt v Charlottenburgu.Pracoval v oblasti akustiky, hydrodynamiky, elektrodynamiky, termodynamiky,meteorológie, optiky, ne-euklidovskej geometrie a filozofie prírodných vied. Je známyaj ako vynálezca prvého oftalmoskopu ("Beschreibung eines Augenspiegels", Berlin,1851).V roku 1847 formuloval (nezávisle od R.Mayera a J.P.Joula) zákon zachovania energie:"Über die Erhaltung der Kraft" (Berlin, 1847, rozšírenejšia verzia: "Über dieWechselwirkungen der Naturkräfte", Königsberg, 1854).

James Prescott Joule(1818 – 1889)

Anglický fyzik. Ako sladovník zo Salfordu je považovaný za zakladateľa experimentálnejtermodynamiky.


termodynamiky.V roku 1840 formuloval, že teplo (Q) produkované elektrickým káblom za určitý čas dt jeQ = U I dt . Je známy ako Joulov zákon.V roku 1843 stanovil mechanický ekvivalent tepla a formuloval zákon zachovania energie(ten istý zákon bol formulovaný J.R.Mayerom v 1842 a L.Helmholtzom v 1847).Spoločne s W.Thomsonom (Lordom Kelvinom) objavil v roku 1853 jav známy ako Joule-Thomsonov jav.Na jeho počesť je „Joule“ jednotkou SI sústavy.

James Clerk Maxwell(1831 – 1879)

Julius Robert Mayer

Anglický fyzik. Profesor v Aberdeene, Londýne a Cambridge. Zakladatl modernej elektrodynamiky aelektrodynamickej teórie svetla (Maxwellova teória).Spolupracoval aj na vývine kinetickej teórie plynov.


Julius Robert Mayer(1814 – 1878)

Nemecký lekár a fyzik. Pracoval ako lodný chirurg. Upozornil na fakt, že farebný rozdiel medzihlavnou tepnovou a žilovou krvou je menší v tropických ako v miernych klímach. Usúdil, že zvýšenáteplota ľudského tela produkuje menej energie pri spaľovaní, čo ho viedlo k hypotéze orovnocennosti fyzikálnej práce a tepla.Svoje myšlienky publikoval v roku 1842 : "Bemerkungen über die Kräfte der unbelebten Natur"(Liebigs "Annalen", Bd. 42). V tejto práci formuloval všeobecný zákon zachovania energie a vypočítalmechanický ekvivalent tepla.Zbierka jeho prác bola zostavená v roku 1867: "Die Mechanik der Wärme"

Ludwig Boltzmann

Pokladaný za otca štatistickej termodynamiky

S = kB ln W

kB – Boltzmannova konštanta 1,38x10-23 J.K-1

W – počet mikrostavov zodpovedajúcich termodynamickému makrostavu

Nie je to všebecný vzorec na definíciu entrópie!Platný len ak každý z mikrostavov sa vyskytuje s rovnakou pravdepodobnosťou

Erwin Rudolf Josef Alexander Schrodinger(1887 – 1961)


(1887 – 1961)

Rakúsko-írsky fyzik. Získal Nobelovu cenu za kvantovú mechaniku v roku 1933.

Nature and the Greeks" and "Science and Humanism" Cambridge University Press (1996) "The interpretation of Quantum Mechanics" Ox Bow Press (1995)"Statistical Thermodynamics" Dover Publications (1989) "Collected papers" Friedr. Vieweg & Sohn (1984) "My View of the World" Ox Bow Press (1983) "Expanding Universes" Cambridge University Press (1956) "Space-Time Structure" Cambridge University Press (1950) "What is Life?" Macmillan (1946)

Základné pojmy

Sústava – časť priestoru so svojou látkovou náplňou

Okolie – sústava oddelená stenami (steny majú špecifické vlastnosti)

Stav sústavy – opisuje sa stavovými veličinami

� uzavretá sústava – steny nedovoľujú látkovú výmenu� otvorená sústava – vymieňa s okolím látku a energiu� izolovaná – nevymieňa ani látku ani energiu

Tuhá látka: kondenzované súbory atómov za podmienok termodynamickej rovnováhy(objemovo a tvarovo stále)


Stav sústavy – opisuje sa stavovými veličinami

� extenzívne vlastnosti – aditívny charakter (m, V, E), závisia na množstve)� intenzívne vlastnosti – nezávislé na množstve fázy (p, T, ρ ,c, Vm , merný odpor)

Quíz: Ktoré vlastnosti sú príčinou termodynamických dejov?Nápomoc: Tieto veličiny podmieňujú rovnováhu

p, V, T – základné stavové veličiny (jednoznačne určujú v akom stave je látka)

p.V/T=konšt. Stavová rovnica

sústava

okolie

energia látka

sústava

okolie

energia látka

sústava

okolie

energia látka


otvorená uzavretá izolovaná

Zložky termodynamickej sústavy:

Vzájomne nezávislé chemické individuá – prvky alebo zlúčeniny

Podľa počtu zložiek:

• Jednozložkové – napr. čistá meď

• Dvojzložkové – mosadz (zliatina Cu-Zn)

• Trojzložkové – dural (Al-Cu-Mg)

• Štvorzložkové – antikorózna oceľ (Fe-C-Cr-Ni)

• Viaczložkové – vysokopevná oceľ (Fe-C-Ni-Cr-Mo-Ti-Al)

Tuhá (pevná) fáza:

a) Čisté látky (prvky)

b) Tuhé roztoky – substitučné

– intersticiálne

c) Intermediálne fázy – elektrochemické zlúčeniny

– s prevažne iónovou väzbou

– s prevažne kovalentnou väzbou

– zlúčeniny určené veľkostným faktorom

– substitučné zlúčeniny

– elektrónové zlúčeniny

v + f = k + 2

v hutníctve ?

Fe, C, CO, CO2, FeO

Energetické veličiny stavu, resp. stavové funkcie:vnútorná energia U, entalpia H, entrópia S, voľná energia F a voľná entalpia G – priamo

nemerateľné


Chemická reakcia alebo fázové premeny

1. Snaha o upevňovanie chemických väzieb

H1 —> H2 (H1 > H2 —> ∆H<0 )

2. Snaha zvýšiť náhodnosť = pravdepodobnosť usporiadaniaS1 —> S2 (S1 < S2 => ∆S > 0)

1 a 2 sa môžu dopĺňať alebo pôsobiť proti sebe


Quíz: Doplňte < >

∆H 0; ∆S 0 - prakticky nevratný proces∆H 0; ∆S 0 - za daných podmienok neuskutočniteľná∆H 0; ∆S 0 - exotermické∆H 0; ∆S 0 - endotermické

TF reakciefázové

chemické rovnováhy

Osobitosti TF procesov:

závislosť termodynamických podmienok,časového priebehu a topológie od reálnej štruktúry

Príčina: malá pohyblivosť stavebných častíc štruktúry


Klasická termodynamika

Rovnovážny stav pri teplote T určený podmienkou minimálnej hodnoty Gibbsovej energie pristálom tlaku alebo Helmholtzovej energie pri konštantnom objeme

G = H – TS [p, T]F = U – TS [V,T]

Entropický člen TS predstavuje viazanú energiu.


Entalpia, resp. vnútorná energia zahrňuje energiu väzieb a energiu oscilácií

Quíz: Čo sa stane u tuhých látok za atmosférického tlaku?

H = U + pV

Nápomoc: Vplyv vonkajšieho tlaku možno zanedbať. Potom ....

Podmienka samovoľného priebehu dejov pri T:

∆G < 0 ∆G = 0 rovnováha

Štatistická termodynamika

Celková entrópia = miera neusporiadanosti systému (závisí od všetkých foriem pohybu častíc)

� interpretuje termodynamické kvantitatívne veličiny (teplo, prácu, voľnú energiu, entrópiu) zmolekulárneho hľadiska.

S = Step + Skonf = k (ln Wtep + ln Wkonf)

Step – určená počtom spôsobov Ztep akým dochádza k rovnovážnej distribúcii vibračnej energiemedzi atómy.

Skonf – určená počtom spôsobov Zkonf , ktorými môžu byť atómy distribuované v okolí mriežkových

(„otec“ Boltzmann)

termodynamická pravdepodobnosť


Quíz: Akú konfiguračnú entrópiu má dokonalý kryštál diamantu?

Skonf – určená počtom spôsobov Zkonf , ktorými môžu byť atómy distribuované v okolí mriežkovýchuzlov

Pri ohreve kryštálu vzrastá intenzita tepelných oscilácií, tzn. aj pravdepodobnosť, že niektorý z atómov opustí svoje rovnovážne miesto za tvorby vakancie či interstície —> lokálne porušenie periodicity a tým vzrast entalpie o ∆H

∆G = ∆H – T∆S = 0

Výsledkom súťaže medzi H a TS je rovnovážna koncentrácia bodových porúch

Quíz: Porovnajte entrópiu pevnej látky, taveniny, kvapaliny aplynu ???

S = kB ln W

W = N!/N0!.N1!.N2! ... Nr!

The Black Swan

Author Nassim Nicholas Taleb

Country United States

Language English

Genre(s) epistemology, philosophy of science

Publisher Random House (US) Allen Lane (UK)

Publication date April 17, 2007

Media type Print (Hardback)

Pages 400 pp (hardcover)

ISBN ISBN 978-1400063512 (US), 978-0713999952 (UK)


The Black Swan: The Impact of the Highly Improbable is a book about randomnessand uncertainty by epistemologist Nassim Nicholas Taleb.

� limited human knowledge� hugh effect (11th September, Internet ...)� arrogance in human race

ISBN ISBN 978-1400063512 (US), 978-0713999952 (UK)

Preceded by Fooled by Randomness

späť


Carnotov cyklus

termodynamika - sspu.sk · termodynamika...

Documents