Drugi zakon termodinamike

Bavi se smerom prirodnih promenaUvodimo novu funkciju stanja: entropiju

Q

Prvi zakon termodinamike nije dovoljan da u potpunosti opie zbivanja u stvarnosti

Primer: Nemogue je toplotu iskoristiti za vrenje korisnog rada kada su okolina i sistem na istoj temperaturi, iako to nije u suprotnosti s prvim zakonom termodinamike.

AUQ += Nemogue!!!

Toplota se ne moe potpuno prevesti u rad (energija nieg reda), zato to jedan deo toplote mora prei na hladnije telo.

Definicije drugog zakona termodinamikeFormulacija lorda Kelvina: Nemogue je uzeti energiju iz

toplotnog rezervoara i pretvoriti je u mehaniki rad, ako se izvesna koliina toplote ne prenese hladnijem rezervoaru.

Nije mogue konstruisati perpetuum mobile druge vrste,

a to je maina koja bi stalno uzimala toplotu

iz toplotnog rezervoara i pretvarala je u rad.

Toplota spontano prelazisa tela koji ima viu temperaturu

na telo koje ima niu.Obrnuto nije mogue

bez utroka rada.

Spontanost procesa

T nie

T vie

Q

Deava se sam od sebe- bez intervencije spoljaBez utroka radaTenja sistema da zauzme najstabilnije stanje (stanje ravnotee)Spontano ne znai brzo!Mogui su i nespontani procesi, ali uz utroak energije.

Mogui su i nespontani procesi,

ali uz utroakenergije

Deava se sam od sebe- bez intervencije spolja

Nespontani procesi se

A) nikada ne deavaju B) deavaju uz utroak energije C) deavaju uz proizvodnju energije

Spontani procesi su

A) brzi B) spori C) zavisi od procesa

Da li je mogue svu toplotu prevesti u rad? A) da B) ne C) zavisi od uslova

Koliko visoko uz brdo moe da se popne ovek od 70 kg, ako je pojeo 30g okolade, ija je toplota sagorevanja od 628kJ potpuno pretvorena u rad?

mkgms

JgmAh

mghAputsilaA

91470806,9

6280002 =

==

=

=

Entropijata prvi zakon kae:Da li e reakcija biti egzotermna (-H) ili

endotermna (+H)

ta prvi zakon ne kae:Hoe li se reakcija odigrati sama od sebe

(da li je proces spontan)?

PdVdUdH +=

Deluje nam logino da se egzotermna reakcija odvija spontano, ali...

Prvi zakon ne kae nita o spontanosti 1. Mrnjenje vode je

egzoterman proces (H< 0) ali nije spontan na T > 0 C.

2. Topljenje leda je endoterman proces (H> 0) ali je spontan na T > 0 C.

Izotermno irenje gasa ne menja njegovu energiju (H= 0), ali je spontano

Samo H ne definie spontanost procesa

Entropija S (gr. menjanje, usmeravanje)-merilo tenje ka spontanom procesu Izvoenje iz Carnotovog

ciklusa: Odnos izmeu koliine toplote

koju sistem pri reverzibilnom i izotermnom procesu razmeni sa okolinom i temperature sistema

Promena koliine toplote sistema po temperaturskom stepenu.

TdQdS r=

0= dSFunkcija stanja sistema: zavisi od krajnjeg i poetnog stanja,

a ne od puta kojim se deava promena

Promena entropije izolovanog sistema pri spontanom procesuIzolovani sistem= SISTEM + OKOLINA

u uem smislu u interakciji sa sistemom

s

rs T

dQdS =

)11(oks

rok

r

s

ris TT

dQTdQ

TdQdS ==

Okolina T vie

SistemT nie Tok>Ts

0>isdSSpontan proces u izolovanom sistemu dogaa se

uz porast entropije

okolinesistemais SSS +=

ok

rok T

dQdS =

Svi procesi u prirodi praeni su krajnjim (ukupnim) porastom entropije Mora se uzeti u obzir zajedno: entropija samog sistema i njegove okolineEntropija samog sistema moe se i smanjivati, ali proces

e biti prirodan samo ako je to smanjenje kompenzovano jo veim poveanjem entropije okoline.

Pri spontanim procesima entropija raste dok postoje razlike izmeu intenzivnih veliina. Kad se izjednae, proces prestaje i entropija dostie max vrednost.

U stanju ravnotee: Ts=Tok)11(

oksr

ok

r

s

ris TT

dQTdQ

TdQdS ==

0=isdS

0>isdS

Spontani (prirodni) procesi su konani i praeni su porastom entropije

Spontan Ravnoteni Nespontan

0>isdS0=isdS

0

Entropija je funkcija stanja sistema

A) da B) ne

Proces je spontan ako je:

A) dS sistema >0 B) dS okoline >0 C) dS ukupno >0

Tenja ka poveanju entropije: princip o degradaciji energije

Entropija-mera rasipanja energije

Degradacija energije-sve manje dostupna za rad

Prirodni procesi teku uz disperziju (rasprivanje) energije

Nedispergovana energija-energija zatvorena na malom, definisanom mestu

Disperzija energije-irenje energije uokolo

Entropija-mera haotinog irenja energije

Primer kako disperzija odreuje spontanost procesa: hlaenje metalnog bloka Metalni blok: sistem elektrona i jona koji

osciluju. Energija je skoncentrisana unutar prostora koji zauzima blok. Joni u bloku vibriraju i tresu susedne jone, dok joni na ivici bloka udaraju u estice u okolini i predaju im energiju. estice okoline predaju energiju susednim, pa se energija iri, dok se blok ne ohladi na temperaturu okoline.

Zato metalni blok u hladnoj prostoriji samostalno nikada nee postati vru?

Neverovatno je da se sluajnim sudaranjem estica u okolini mnogo energije istovremeno vrati bloku.

VruMetalni

blok

Definicije drugog zakona termodinamike 1. Svi spontani procesi su praeni porastom

entropije 2. Spontani procesi tee maksimumu entropije 3. Svi prirodni procesi praeni su degradacijom

energije 4. Ukupna koliina entropije u svemiru raste pri

svakom prirodnom procesu. Svemir = sistem + okolina

Pitanje sa poetka predavanja Prvi zakon: energija se ne moe ni stvoriti, ni

unititi

Ako se energija ne moe unititi, da li to znai da nema potrebe da se brinemo da emo je svu potroiti?

Treba da se brinemo! Imamo krizu entropije, a ne krizu energije! oveanstvo uva energiju, ali stvara suvie entropije i unitava dostupnost energije.

Zato gvoe ra?4Fe(s)+3O23Fe2O3(s) H= -1648kJmol-1

Ssistema= - 549 JK-1mol-1

Sokoline= 5529 JK-1mol-1

Sukupno = 4984 JK-1mol-1

Sis (ukupno) >O Ranje je spontan proces!

Konkurencija izmeu lokalizacije i disperzije energije.Smanjenje entropije u sistemu, ali veliko poveanje u okolini!

okolinesistemais SSS +=

Prirodni procesi teku uz disperziju (rasipanje) energije A) da B) ne

Pri spontanim procesima u izolovanom sistemu entropija A) raste B) opada C) ne menja se

Ako je dS=0, znai da je proces

A) spontan B) nespontan C) u ravnotei

Ako je reakcija egzotermna, to znai da je spontana A) da, uvek B) ne mora da znai

Uobiajno je da su egzotermne reakcije spontane (npr. vrui metalni blok se spontano hladi) zato to oslobaaju toplotu koja poveava entropiju okoline

Da li su endotermne reakcije spontane? A) mogu da budu spontane B) nikada ne mogu da budu

spontane

Endotermne reakcije su spontane samo kada je porast entropije sistema dovoljan da nadvlada smanjenje entropije u okolini

Spontane egzotermne reakcije tera velika entropija koju stvaraju u

A) sistemu b) okolini Spontane endotermne reakcije tera velika

entropija koju stvaraju u A) sistemu b) okolini

Entropija-mera (ne)ureenosti sistema

Verovatno Malo verovatno

Malo verovatno Verovatno

Entropija i verovatnoa stanja

Sva etiri molekula u levom rezervoaruMalo verovatno stanje

Mala entropija

Dva molekula u desnom, dva u levom rezervoaru. Veliki broj kombinacija. Velika entropija

Trei zakon termodinamike Entropija raste sa verovatnoom da e se

ostvariti neka promena stanja sistema Termodinamika verovatnoa stanja sistema Bolztmanova konst

Merilo ureenosti sistema Sg>Ste>S Potpuna ureenost na apsolutnoj nuli: S=0W=1 ln1=0

WkS ln= nRk =

The entropy of a pure crystalline substance at absolute zero is 0.

Nemogue je dostii

apsolutnu nulu0 K

Trei zakon ne vai za mali broj molekula

I s t a v e r o v a t n o a

Thermodynamic laws 1. You cannot winYou cannot get something for nothing,

because matter and energy are conserved 2. You cannot break evenYou can not return to the same energy state,

because there is always an increase in disorder, entropy always increases

3. You cannot get out of the gameBecause absolute zero is unattainable

First law of thermodynamics: Energy can be transferred or transformed but neither created nor destroyed. For example, the chemical (potential) energy in food will be converted to the kinetic energy of the cheetahs movement in (b).

Second law of thermodynamics: Every energy transfer or transformation increases the disorder (entropy) of the universe. For example, disorder is added to the cheetahs surroundings in the form of heat and the small molecules that are the by-products of metabolism.

Neureena stanja su statistiki verovatnija A) da B) ne

ta entropija nije:

A) mera spontanosti procesa B) mera rasipanja energije C) mera toplotnog efekta rekcije D) mera degradacije energije E) mera neureenosti sistema

Koja formulacija se ne odnosi na drugi zakon termodinamike? A) Entropija u izolovanom sistemu raste B) Toplota spontano prelazi sa tela vee

na telo manje temperature C) Svi prirodni procesi praeni su

degradacijom energije D) Entropija raste sa verovatnoom da e

se ostvariti neka promena stanja sistema

Koja formulacija se ne odnosi na trei zakon termodinamike? A) Nemogue je dostii apsolutnu nulu B) Entropija na apsolutnoj nuli je nula C) Svi prirodni procesi praeni su

degradacijom energije D) Entropija raste sa verovatnoom da e

se ostvariti neka promena stanja sistema

Entropija je funkcija stanjaSvaka promena bilo kog parametra stanja (P, V, T) dovodi do promene stanja

Promena stanja dovodi do promene entropije

Stanje se menja ako se: menja agregatno stanje rastvara supstanca meaju supstance supstance hemijski reaguju

Promena entropije pri promeni agregatnog stanja

U oba sluaja, raste neureenost sistema ENTROPIJA RASTE

vrsto teno

Teno gasovito

Toplota faznog prelaza Isparavanje vode: endoterman proces H =40,7kJ/mol

Topljenje leda: endoterman proces H =6,01kJ/mol

Na temp. topljenja, vrsto i teno stanje su u ravnotei; na temp. isparavanja, teno i gasovito stanje su u ravnotei

Reverzibilni proces: toplota se razmenjuje

na reverzibilan nain

TdQdS r=

toplj

toplj

toplj

vrtetoplj T

HT

HHS

=

=

klj

isp

klj

tegasisp T

HT

HHS

=

=

sub

sub

sub

vrgassub T

HT

HHS =

=

Entropije topljenja, isparavanja i sublimacije:uvek pozitivne, poto sistem

prima toplotu (H>0)

HQkonstP=

= .

TH

S

=

Zavisnost entropije od temperature

0 Temperatura (K)

S

Entropija sve vreme raste sa porastom temperature.Na temperaturi prelaza, naglo raste.

Promena entropije pri rastvaranju

Neureenost jona naspram ureenosti molekula rastvaraaU najveem broju sluajeva, entropija pri rastvaranju RASTE

Promena entropije pri meanju tenosti

Poveava se neureenost sistema- ENTROPIJA RASTE

Moe li temperatura vode u tenom stanju da bude 1100C? a) da B) ne C) zavisi

Promena entropije hemijske reakcije

Razlika izmeu zbira entropije proizvoda reakcije i zbira entropije reaktanata

svi uesnici reakcije pod standardnim uslovima: isti pritisak i temperatura

= reaktanataproizvoda 029802980298 SSS

Vrednosti standardnih (molarnih) entropija nalaze se u termodinamikim tablicama

Standardne molarne entropije S Najmanju S kristali Najveu S gasovi Za elemente S0 (H=0) Jo jedna anomalija vode: mala

S-zbog vodoninih veza Sloeniji molekul, vea Mr, vea

S

Entropja raste ako u hemijskoj reakciji:-raste ukupan broj molova-raste broj molova gasa-iz tenosti ili vrstih supstanci nastaju gasovi-iz vrstih supstanci nastaju tenosti

a) CO3(s) CaO(s) + CO2(g)a) N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)b) H2O(l) H2O(g)c) Ag+(aq) + Cl- (aq) AgCl(s)

Pretpostavite da li entropija raste kod sledeih reakcija

Najveu entropiju imaju:

A) gasovi B) tenosti C) vrsta tela

Sa poveanjem temperature, entropija A) raste B) opada C) ne menja se

Izraunati standardnu promenu entropije za reakciju stvaranja vode 2H2(g)+O2(g)2H2O(l)

110

110

110

9,69

0,205

6,130

2

2

2

=

=

=

molJKS

molJKS

molJKS

OH

O

H

04,326

)0,2056,13029,692(

)()(2)(2

0

11

112

02

02

00

Pri kom procesu entropija ne raste:

A) topljenje B) mrnjenje C) isparavanje D) sublimacija

S topljenja, isparavanja i sublimacije su: A) pozitivne B) negativne C) mogu biti i pozitivne i negativne D) jednake nuli

Pri meanju dve tenosti, entropija

A) raste B) opada C) ne menja se

Standardne entropije elemenata su

a) jednake nuli b) razliite od nule

Da li je entropija raste ili opada kod sledee reakcije: 2Ag(s) +1/2O2(g)Ag2O(s)

S=-66,1 J/Kmol

Oznaiti teno stanje

Drugi zakon termodinamikePrvi zakon termodinamike nije dovoljan da u potpunosti opie zbivanja u stvarnosti Definicije drugog zakona termodinamike Formulacija lorda Kelvina:Spontanost procesaNespontani procesi seSpontani procesi su Da li je mogue svu toplotu prevesti u rad?Koliko visoko uz brdo moe da se popne ovek od 70 kg, ako je pojeo 30g okolade, ija je toplota sagorevanja od 628kJ potpuno pretvorena u rad?EntropijaPrvi zakon ne kae nita o spontanostiEntropija S (gr. menjanje, usmeravanje)-merilo tenje ka spontanom procesuPromena entropije izolovanog sistema pri spontanom procesu Izolovani sistem= SISTEM + OKOLINA u uem smislu u interakciji sa sistemomSvi procesi u prirodi praeni su krajnjim (ukupnim) porastom entropijeSpontani (prirodni) procesi su konani i praeni su porastom entropijeEntropija je funkcija stanja sistemaProces je spontan ako je:Tenja ka poveanju entropije: princip o degradaciji energijePrimer kako disperzija odreuje spontanost procesa: hlaenje metalnog blokaDefinicije drugog zakona termodinamikePitanje sa poetka predavanjaZato gvoe ra?Prirodni procesi teku uz disperziju (rasipanje) energijePri spontanim procesima u izolovanom sistemu entropijaAko je dS=0, znai da je procesAko je reakcija egzotermna, to znai da je spontanaDa li su endotermne reakcije spontane?Slide 27Entropija-mera (ne)ureenosti sistemaEntropija i verovatnoa stanjaTrei zakon termodinamikeSlide 31Trei zakon ne vai za mali broj molekulaThermodynamic lawsSlide 34Neureena stanja su statistiki verovatnijata entropija nije:Koja formulacija se ne odnosi na drugi zakon termodinamike?Koja formulacija se ne odnosi na trei zakon termodinamike? Entropija je funkcija stanja Svaka promena bilo kog parametra stanja (P, V, T) dovodi do promene stanja Promena entropije pri promeni agregatnog stanjaToplota faznog prelaza Na temp. topljenja, vrsto i teno stanje su u ravnotei; na temp. isparavanja, teno i gasovito stanje su u ravnoteiZavisnost entropije od temperaturePromena entropije pri rastvaranjuPromena entropije pri meanju tenosti Moe li temperatura vode u tenom stanju da bude 1100C?Promena entropije hemijske reakcijeStandardne molarne entropije SEntropja raste ako u hemijskoj reakciji: -raste ukupan broj molova -raste broj molova gasa -iz tenosti ili vrstih supstanci nastaju gasovi -iz vrstih supstanci nastaju tenosti Najveu entropiju imaju:Sa poveanjem temperature, entropijaIzraunati standardnu promenu entropije za reakciju stvaranja vodePri kom procesu entropija ne raste:S topljenja, isparavanja i sublimacije su:Pri meanju dve tenosti, entropijaStandardne entropije elemenata suDa li je entropija raste ili opada kod sledee reakcije:Oznaiti teno stanje