Upload
vudieu
View
215
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
19.01.2019 1
INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA
Stan materii a stan skupienia
Stan materii – podział z punktu widzenia mikroskopowego
(struktury jakie tworzą atomy, cząsteczki, jony)
Stan skupienia - forma występowania materii (forma
makroskopowa):
Gazowy
Ciekły
Stały
STAN GAZOWY STAN CIEKŁY STAN STAŁY
uporządkowanie
temperatura
Opis stanu
Objętość V: miara przestrzeni jaka zajmuje „próbka” [m3]
Ciśnienie: siła działająca na jednostkę powierzchni
Jednostka w układzie SI [Pa]=[N·m-2]
1atm=760 mmHg=1013.25 hPa
Temperatura T: [K]
Ilość substancji n: [mol]
próżnia
ciśnienie
atmosferyczne
Cechy stanu gazowego
Brak kształtu:
Gaz przyjmuje kształt układu, w którym się znajduje
Brak objętości:
Gaz przyjmuje objętość układu, w którym się znajduje
Średnia energia kinetyczna „elementów” tworzących gaz jest
większa od średniej energii oddziaływania pomiędzy tymi
„elementami”
Prawo Boyle’a cd
pV=const jedynie w przybliżeniu opisuje relacje pomiędzy p i V
Gaz który spełnia prawo Boyle’a nazywa się gazem idealnym
Prawo to pozwala przewidzieć nową objętość gazu jeżeli
zmienimy ciśnienie (przy T=const) lub vice versa: p1V1=p2V2
ciśnienie (atm)
ciśnienie (atm)
Ob
jęto
ść (
dm
3)
1/V
(d
m-3
)
Prawo Charles’a J.Charles stwierdził, ze objętość gazu pod stałym ciśnieniem
rośnie „liniowo” ze wzrostem temperatury dla określonej
ilości gazu
bT
V
TV
TV b
2
2
1
1
T
V
T
V b
2
2
1
1
T
V
T
V
Gdzie V-objętość,
T-temperatura,
b-stała
Temperatura (K)
Obję
tość
(m
3)
Prawo Charles’a cd
Punkt charakterystyczny wykresu: dla wszystkich gazów
objętość ekstrapolowana do zera jest w tym samym punkcie,
-273.2oC
W skali Kelwina, ten punkt definiowany jest jako 0 K (zero
absolutne)
Temperatura (oC)
Ob
jęto
ść (
dm
3)
Ekstrapolacja
Kombinacja praw gazowych
Każde z praw gazowych opisuje wpływ zmiany jednej z
wielkości, jeżeli pozostałe dwa są stałe
Dla stałej masy gazu
p
TV
p
TdV
dT
Vp
2
22
1
11
T
pVd
T
pV
2
22
1
11
T
pV
T
pV
Prawo Avogadro
A. Avogadro stwierdził, że równe objętości gazów w tej
samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem zawierają
taka samą ilość „cząstek”
nV
nV c
cn
V
2
2
1
1
n
Vc
n
V
2
2
1
1
n
V
n
V
Ilość moli
Obję
tość
Prawo gazu doskonałego
p
TnV
p
TnRV
nRTpV
R- stała gazowa,
R=8.314 J·(mol·K)-1
22
22
11
11
Tn
Vp
Tn
Vp
GAZOWY STAN SKUPIENIA
uporządkowanie
STANY MATERII W GRANICACH
GAZOWEGO STANU SKUPIENIA
GAZ
WŁAŚCIWY
PLAZMA
WY
SO
KO
-
TE
MP
ER
AT
UR
OW
A
NIS
KO
-
TE
MP
ER
AT
UR
OW
A
NIE
NA
SY
CO
NA
NA
SY
CO
NA
PARA
Plazma wysokotemperaturowa
W temperaturach powyżej 105-106 K atomy ulegają
całkowitej jonizacji tworząc nieuporządkowany stan
materii złożony z jąder i elektronów- PLAZMA
WYSOKOTEMPERATUROWA
elektron
jadro
Plazma wysokotemperaturowa
Występowanie swobodnych ładunków elektrycznych
o rozmiarach rzędu 10-15 m
Silne oddziaływania elektrostatyczne i magnetyczne
pomiędzy składnikami
pVnRT
Emisja wyłącznie ciągłego widma fal
elektromagnetycznych
Plazma niskotemperaturowa
W temperaturach > 103K atomy ulegają częściowej
jonizacji tworząc nieuporządkowany stan materii
złożony z jonów dodatnich i elektronów – PLAZMA
NISKOTEMPERATUROWA
elektron
jon dodatni
Plazma niskotemperaturowa
Występowanie swobodnych ładunków elektrycznych
o rozmiarach rzędu 10-10 m (jony dodatnie) i 10-15 m
(elektrony)
Silne oddziaływania elektrostatyczne i magnetyczne
pomiędzy składnikami
pVnRT
Emisja ciągłego i charakterystycznego widma fal
elektromagnetycznych
Gaz właściwy
W temperaturach od kilku do 1000-1500K atomy i cząsteczki
praktycznie nie ulegają jonizacji mogąc tworzyć
nieuporządkowany stan materii złożony z obojętnych
atomów lub cząsteczek - GAZ WŁAŚCIWY
warunkiem istnienia stanu gazowego jest oddz
śr
kin
śr EE
Istnienie silnych oddziaływań w plazmie było wynikiem
obecności swobodnych ładunków elektrycznych (dlatego plazma
nie może istnieć w niskich temperaturach)
Słabe oddziaływania pomiędzy atomami i cząsteczkami
gazów właściwych (co umożliwia ich istnienie w
stosunkowo niskich temperaturach) są wynikiem
istnienia sił międzycząsteczkowych zwanych siłami
Van der Waalsa
Siły międzycząsteczkowe
Siły Van der Waalsa
Oddziaływanie dipol-dipol
Siły dyspersyjne (Londona)
Oddziaływanie dipol-
indukowany dipol
Teoria kinetyczna gazów
Model stanu gazowego
założenia
1. Cząsteczki są punktami materialnymi (mają masę, nie
posiadają wymiarów)
2. Gaz składa się z cząsteczek, które znajdują się w ciągłym
ruchu
3. Cząsteczki nie oddziaływają na siebie za wyjątkiem momentu
zderzeń (zderzenia sprężyste)
Teoria kinetyczna gazów cd
Jaki jest związek pomiędzy energią cząsteczek gazu a temperaturą w której się znajduje?
Średnia energia kinetyczna ruchu postępowego cząsteczki gazu w temperaturze wynosi:
gdzie jest stałą Boltzmanna k=1.38·10-23 J•K-1
Średnia energia kinetyczna cząsteczki jest wprost proporcjonalna do temperatury bezwzględnej
Średnia energia kinetyczna cząsteczki nie zależy od jej masy!
Na każdy stopień swobody ruchu cząstki przypada energia. W przypadku ruchu postępowego cząstka ma trzy stopnie swobody: związane z ruchem wzdłuż osi.
Dla gazów jednoatomowych jest to jedyny wkład do energii kinetycznej
kT2
3Eśr
AN
Rk
Teoria kinetyczna gazów cd
W przypadku cząsteczki dwuatomowej cząsteczka ma
również wkład do energii kinetycznej związany z jej ruchem
obrotowym wokół dwóch osi prostopadłych do osi łączących
atomy.
W przypadku cząsteczki składającej się z trzech lub więcej
atomów są trzy stopnie swobody związane z ruchem
obrotowym (obroty wokół trzech prostopadłych osi), w
związku z tym energia kinetyczna cząsteczki wynosi:
kT2
5Eśr
3kTkT2
6Eśr
Gazy rzeczywiste
Jakie są przyczyny odstępstwa od prawa gazu
doskonałego?
Istnienie oddziaływań międzycząsteczkowych
Występowanie objętości cząsteczek
nRTpV
•Przybliżenie jest tym lepsze im średnie odległości
cząsteczek gazu są większe od średnic cząsteczek
•Warunek ten spełniony jest dla niskich wartości ciśnień i
wysokich temperatur
Gazy rzeczywiste
2
2
effV
anpp
bnVVeff
nRTVp idealideal
U(r)
Mała odległość
odpychanie
Duża odległość
Przyciąganie
r
Siły dalekiego zasięgu
Siły przyciągania-tendencja do
trzymania się razem
Efektem jest dodatkowa kompresja
gazu
Siły krótkiego zasięgu
nRTbnVV
anp
2
2
0
Gaz rzeczywisty
Gaz
idealny
Gaz
idealny
1nRT
pV
Gaz rzeczywisty cd
azot N2 ................................ 22,401 dm3
amoniak NH3 ....................... 22,089 dm3
ditlenek siarki SO2 ............... 21,888 dm3
siarkowodór H2S .................. 22,145 dm3
W warunkach standardowych T=273K, p=1atm
1 mol gazu idealnego zajmuje objętość 22.43 dm3
Obniżamy temperaturę gazu rzeczywistego
Średnia energia cząstek gazu maleje:
Energia oddziaływań międzycząsteczkowych prawie nie
ulega zmianie
Gdy sprężymy gaz w którym
możliwe jest tworzenie się agregatów cząsteczek o
rozmiarach nie przekraczających pewnej wartości
krytycznej
Taki stan gazowy materii nazywamy PARĄ
NIENASYCONĄ
Granicę pomiędzy gazem a parą nienasyconą określa TK
zwana temperaturą krytyczną
kTEśr2
3
oddz
śr
kin
śr EE oddz
śr
kin
śr EE
oddz
śr
kin
śr EE
temperaturaTk
PARA NIENASYCONAGAZ WŁAŚCIWY
oddz
śr
kin
śr EE oddz
śr
kin
śr EE
Jak zachowuje się para nienasycona przy podwyższaniu ciśnienia
lub przy obniżaniu temperatury?
19.01.2019 36
Para nienasycona para nasycona
Przy obniżaniu temperatury lub podwyższaniu ciśnienia pary nienasyconej wzrasta przeciętny rozmiar agregatów cząsteczek
..agregaty takie tworzą się i rozpadają z szybkościązależną od rodzaju cząsteczek, temperatury, ciśnieniaoraz rozmiarów agregatów (czyli od liczbycząsteczek w agregacie),
ciśnienie
temperatura
Dla każdej temperatury poniżej temperatury krytycznej TK istnieje
takie ciśnienie, przy którym rozmiary agregatów cząsteczek
osiągają wartość krytyczną, to znaczy taką począwszy od której,
szybkość wzrostu vwzr agregatu przewyższa szybkość jego
rozpadu vrozp
Rozmiary agregatów są
MNIEJSZE od rozmiarów
krytycznych
Rozmiary agregatów są
WIĘKSZE od rozmiarów
krytycznych
Vrozp >Vwzr
Vrozp <Vwzr
Para nasycona (definicja) to para, która w danej temperaturze osiągnęła maksymalne ciśnienie
GAZ
Obniżenie temperatury
PARA NIENASYCONA
Obniżenie temperatury Zmniejszenie objętości
PARA NASYCONA
Obniżenie temperatury Zmniejszenie objętości
CIECZ
19.01.2019 44
uporządkowanie
GAZ WŁAŚCIWYPLAZMA
WY
SO
KO
-TE
MP
ER
AT
UR
OW
A
NIS
KO
-TE
MP
ER
AT
UR
OW
A
NIE
NA
SY
CO
NA
NA
SY
CO
NA
PARA CIAŁO STAŁECIECZ
STAN CIEKŁYoddz
śr
kin
śr EE
luki w strukturze
ciecz zwykła
Uporządkowanie blisko zasięgowe:
4-6 średnic cząsteczek
Podstawowe cechy stanu ciekłego
Cząsteczki pomiędzy którymi działają znaczące siły znajdują się w
odległościach rzędu ich własnych rozmiarów
W cieczach obserwuje się tzw. blisko zasięgowe uporządkowanie obejmujące kilka
średnic cząsteczkowych
ściśliwość cieczy jest bardzo mała
powierzchnia cieczy ma szczególne cechy wynikające z istnienia SIŁ NAPIĘCIA
POWIERZCHNIOWEGO
19.01.2019 47
SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE W CIECZACH
Siły Van der Waalsa
•Oddziaływania dipol-dipol
•Oddziaływania dipol- indukowany dipol
•Siły dyspersyjne
Wiązania wodorowe
Występują wyłącznie w cieczach złożonych z cząsteczek
zawierających atomy wodoru oraz
azotu, tlenu lub fluoru- SILNE WIĄZANIE
fosforu, siarki , chloru, bromu lub jodu- SŁABE
WIĄZANIE
19.01.2019 48
ENERGIA WIĄZAŃ WODOROWYCH
Wiązania chemiczne
Wiązania wodorowe
Siły Van der Waalsa
40-500kJ/mol 4-40kJ/mol 0.5-4 kJ/mol
Powierzchnia cieczy
19.01.2019 49
gaz
ciecz
Fwyp>0
Fwyp= 0
Zwiększenie powierzchni cieczy
wymaga wykonania pracy W
przeciwko sile Fwyp
NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE s
12 mNmJS
Wσ
W – praca zużyta na
wytworzenie powierzchni S
cieczy
~10 < s < ~1500 mJ·m-2
19.01.2019 52
Napięcie powierzchniowe
Wzrost pola powierzchni cieczy nastąpi jeżeli cząsteczki
zostaną przesunięte z wnętrza cieczy do jej powierzchni,
co wymaga energii na pokonanie oddziaływań
międzycząsteczkowych
Opór cieczy na wzrost jej pola powierzchni nazywa się
napięciem powierzchniowym
Napięcie powierzchniowe pozwala
na „spacerowanie” po powierzchni wody
Ciecze z silnymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi
wykazują duże napięcie powierzchniowe (potrzebna jest
duża energia na przesunięcie cząsteczki z wnętrza cieczy
na powierzchnię)
ZWIĄZKI POWIERZCHNIOWO CZYNNE
(surfaktanty, Surface active agent)
19.01.2019 53
Cząsteczka (jon)
surfaktanta
Słabe oddziaływaniaSilne oddziaływania
Część solwofobowa
Część solwofilowa
19.01.2019 54
LEPKOŚĆ CIECZY (tarcie wewnętrzne)
v1
v2
F
Dx v2 – v1 = Dv
S
x
vSF
D
D
– współczynnik lepkości
jednostka (SI): 1N·s·m-2
1 puaz = 0,1 N·s·m-2
10-4
< < 1013
N·s·m-2
19.01.2019 57
Tarcie wewnętrzne
Tarcie wewnętrzne – opór cieczy na jej ruch
(przepływ)
Ciecze z silnymi oddziaływaniami
międzycząsteczkowymi wykazują duże tarcie
wewnętrzne
Kompleksy cząsteczkowe prowadzą do wzrostu
tarcia wewnętrznego
Wpływ oddziaływań międzycząsteczkowych można
kompensować poprzez wzrost temperatury
Wzrastający ruch cząsteczek „rozrywa”
oddziaływania międzycząsteczkowe
STAN STAŁY
CIAŁA KRYSTALICZNE CIAŁA AMORFICZNE
RÓŻNE STRUKTURY KRYSTALICZNE
SZKŁA
STAN AMORFICZNY
STAN AMORFICZNY to stan materii cechujący się brakiem
uporządkowania (lub występowaniem uporządkowania blisko
zasięgowego), w którym cząsteczki (atomy) zachowują swobodę
ruchów drgających, przy praktycznym braku swobody ruchów
postępowych.
STAN KRYSTALICZNY
W STANIE KRYSTALICZNYM atomy, jony lub cząsteczki są ułożone
w periodyczny, trójwymiarowy wzór tzw. KRYSZTAŁ
STRUKTURA KRYSZTAŁÓW
....może być rozpatrywana z punktu widzenia:
rozmieszczenia przestrzennego elementów tworzących kryształ
rodzaju elementów tworzących kryształ
rodzaju wiązań chemicznych pomiędzy elementami
tworzącymi kryształ
podejście geometryczne
podejście fizyczne
(chemiczne)
Wiązania w sieci krystalicznej
W zależności od typu wiązań pomiędzy elementami tworzącymi kryształ
wyróżniamy:
atomy połączone wiązaniem
metalicznymmetaliczny
jony połączone wiązaniem
jonowymjonowy
atomy połączone wiązaniami
s lub pkowalencyjny
cząsteczki lub atomy
oddziaływujące siłami Van der
Waalsamolekularny
elementy struktury i wiązanie typ kryształu
KRYSZTAŁY MOLEKULARNE
C60
właściwości:
•mała wytrzymałość mechaniczna i mała twardość
•niska temperatura topnienia
•duży współczynnik rozszerzalności cieplnej
•izolatory
KRYSZTAŁY JONOWENaCl
właściwości:
•duża wytrzymałość mechaniczna i duża twardość
•wysoka temperatura topnienia
•mały współczynnik rozszerzalności cieplnej
•izolatory, po stopieniu przewodzą prąd elektryczny
KRYSZTAŁY KOWALENCYJNE
właściwości:
•duża wytrzymałość mechaniczna i duża twardość
•wysoka temperatura topnienia
•mały współczynnik rozszerzalności cieplnej
•izolatory, po stopieniu nie przewodzą prądu elektrycznego
diament
KRYSZTAŁY METALICZNE
właściwości:
•różna wytrzymałość mechaniczna i twardość,
zwykle dobra ciągliwość
• raczej wysokie temperatury topnienia
•mały współczynnik rozszerzalności cieplnej
•przewodniki prądu elektrycznego
•nieprzezroczyste o charakterystycznym połysku
metalicznym
bizmut
19.01.2019 67
Zmiany stanu skupienia
Czas
(ciepło dodawane ze stałą szybkością)
Tem
per
atura
(oC
)
lód
woda
Woda i para
para
lód i woda
19.01.2019 68
Zmiany stanu skupienia
Jeżeli krystaliczne ciało stałe jest ogrzewane, jego atomy, jony
lub cząsteczki drgają a temperatura ciała rośnie (znajomość
ciepła właściwego pozwala obliczyć wymaganą energię do
ogrzania ciała)
Osiągnięcie temperatury topnienia (punkt topnienia)– drgania
są tak duże, że następuje zniszczenie struktury krystalicznej i
ciało stałe przechodzi w stan ciekły
Ilość energii wymaganej na topnienie ciała stałego w punkcie
topnienia nazywa się ciepłem topnienia DHtop
Proces endotermiczny
Całkowita dostarczona energia użyta jest na zniszczenie
oddziaływań międzycząsteczkowych w punkcie topnienia
(temperatura pozostaje stała aż do momentu kiedy cała ilość ciała
stałego przemieni się w ciecz, dopiero wtedy nastąpi dalszy
wzrost temperatury)
19.01.2019 69
Zmiany stanu skupienia cd
Jeżeli cała ilość ciała stałego stopi się dodatkowe ciepło powoduje
wzrost temperatury (ciepło właściwe cieczy pozwala na obliczenie
energii potrzebnej na ogrzanie cieczy)
Osiągnięcie temperatury wrzenia (punkt wrzenia) –ciecz
przechodzi w stan gazowy
Ilość energii wymagana do procesu parowania cieczy w
punkcie wrzenia nazywamy ciepłem parowania DHpar
Proces endotermiczny
Cała ilość energii jest użyta do zniszczenia oddziaływań
międzycząsteczkowych cieczy w punkcie parowania
19.01.2019 70
Diagramy fazowe Diagram fazowy reprezentuje występowanie czystej fazy
substancji w zależności od temperatury i ciśnienia (czysta
substancja w układzie zamkniętym)
Reguła faz lub reguła faz Gibbsa -
obowiązuje dla każdego układu w
równowadze termodynamicznej
gdzie:
s - liczba stopni swobody, czyli liczba zmiennych,
które można zmieniać bez jakościowej zmiany układu
(bez zmiany liczby faz w równowadze)
α - liczba niezależnych składników,
β - liczba faz, a więc postaci materii jednorodnej
chemicznie i fizycznie (np. roztwór, faza gazowa,
kryształ o określonym składzie)
2βαs
Ciało stałe Ciecz
Gaz
Temperatura o
CC
iśn
ienie
(at
m)
Diagramy fazowe
19.01.2019 71
Temperatura
En
talp
ia s
wo
bo
dn
a
para
ciecz
ciało stałe
Ciało stałe Ciecz Para
Ze wzrostem temperatury entalpia
swobodna każdej fazy maleje, lecz
entalpia swobodna gazów maleje
szybciej niż cieczy a cieczy szybciej
niż ciał stałych
Konsekwencja tego jest występowanie
obszarów temperatury, w której faza o
najniższej entalpii swobodnej, a zatem
fazą najtrwalszą, jest odpowiednio faza
stała, ciekła i gazowa
Trwałe fazy
19.01.2019 72
Punkty charakterystyczne
Temperatura wrzenia - temperatura, w której ciśnienie pary
nasyconej nad cieczą jest równe ciśnieniu zewnętrznemu
Normalna temperatura wrzenia – temperatura wrzenia pod
ciśnieniem 1 atm
Temperatura krytyczna – w temperaturze tej zanika powierzchnia
odgraniczająca ciecz od pary (gęstość pary = gęstość nie
odparowanej cieczy)
Ciśnienie krytyczne - ciśnienie pary w temperaturze krytycznej
Punkt krytyczny- położenie na wykresie fazowym, określone
temperaturą i ciśnieniem krytycznym
Punkt potrójny – punkt w którym spotykają się trzy linie
równowagi
19.01.2019 73
Diagram fazowy dla CO2
Temperatura (C)
Ciś
nie
nie
(at
m)
Punkt krytyczny
Punkt potrójny
Gaz
CieczC. stałe
2βαs 1
Punkt nr 1
s=1-1+2=22
Punkt nr 2
s=1-2+2=1
Punkt nr 3
s=1-3+2=0
3
19.01.2019 74
Skra
pla
nie
Bra
k s
kra
pla
nia
Gaz
CieczC. stałe
Temperatura
Ciś
nie
nie