TERMODINAMIKA

bavi se energijom i njenim transformacijama.

*zakoni termodinamike su bazični, oni definišu generalnerestrikcije koje priroda postavlja dogadjajima u prirodi.

Sistem i okruţenja

SISTEM je deo sveta koji nas zanima; to je bilo kojiobjekat, bilo koja količina materije, bilo koji deo prostora,izabran za ispitivanje i izdvojen (misaono) od svega okonjega; što na taj način postaje OKRUŢENJE. Dakle,

OKRUŢENJE je ostatak sveta.

sistem IZOLUJE(ovakav sistem ne razmenjuje ni materiju ni energiju sa okruţenjem)

Zamišljeni omotač sistema koji gaodvaja od okruţenja je GRANICASISTEMA. Ona ima specifičneosobine koje sluţe da se:

ili da omogući interakciju sistema sa okuţenjem naspecifičan način:

u slučaju OTVORENOG sistema vrši se razmena materije i energije sa okruţenjem…

dok se u slučaju ZATVORENOG sistema vrši razmenaenergije, ali ne i materije sa okruţenjem.

Da se podsetimo:

Sistemi takodje mogu biti: homogeni i heterogeni

OTVORENi sistem vrši razmenu materije i energije sa okruţenjem.

ZATVORENIsistem vrši razmenu energije, ali ne i materije sa okruţenjem.

IZOLOVANI sistem ne razmenjuje ni materiju ni energiju sa okruţenjem.

RAZMENA ENERGIJE SE MOŢE ODVIJATI U VIDU :

TOPLOTE I/ILI RADA

Ova razmena se odvija preko GRANICA FAZA

- Šta se dogadja u okruţenju zbog toga sto je iz sistema dobijena neka količina energije?

- Šta se dogadja u okruţenju koje je dalo sistemu neku količinu energije?

- Šta se dogadja u sitemu koji je dobio ili odao neku količinu energije?

Stanje sistema i njegove osobine

Stanje sistema - ukupnost (zbir) makroskopskih osobina pridruţenih sistemu.

Ako je moguće znati sve detalje o unutrašnjem sastavusistema: raspodelu, uredjenje, način kretanja čestica odkojih je sistem sastavljen, sve ove informacije posluţile bida se definiše STANJE SISTEMA.

Medjutim, nemoguće je saznati sve informacije o sistemukoji je predmet interesovanja.

Iz ovog razloga, primenjuje se sledeći metod: stanjesistema odredjeno je njegovim osobinama u onoj meri ukojoj one mogu biti odredjene direktno (ovo je na primertemperatura T, ili pritisak P) ili indirektno eksperimentom(promena zapremine V).

Posebno stanje sistema je STANJE RAVNOTEŢE:u stanju ravnoteţe sistem ima stalne,nepromenljive osobine, koje su nezavisne odvremena, i zbog toga se mogu meriti sa preciznošću.

Sistem moţe biti pomeren iz ravnoteţe, i tada se, dopostizanja novog ravnoteţnog stanja, dešava PROMENA.

Kako tokom promene sistem moţe da interaguje saokolinom, i kako tada dolazi do promena njegovih osobina,definišemo:

Ekstenzivne (osobine koje zavise od količine materije – V,teţina, unutrašnja energija) i

Intenzivne osobine (osobine koje ne zavise od količinematerije – gustina, temperatura, pritisak).

Hemijska reakcija je definisana hemijskom jednačinom, ali tajednačina ne definiše:

•Uslove pod kojima se reakcija odigrava

•Promenu energije koja prati proces

•Spontanost procesa

•Smer odigravanja reakcije

•Da li se ta reakcija odigrava potpuno ili nepotpuno, kao i poloţajravnoteţe

Sve ove osobine hemijske promene su predmet proučavanjaHEMIJSKE TERMODINAMIKE.

Termodinamički aparat se primenjuje na analizu sistema u kojima se

dešavaju hemijske reakcije ili se dešavaju fazne promene.

ENERGIJA je sposobnost vršenja rada ili prenosa toplote

TOPLOTA je oblik energije koja se prenosi izmedju dva objekta koji se nalaze na različitoj temperaturi

Druge forme energije su:

•svetlosna

•električna

•nuklearna

•kinetička i potencijalna

Potencijalna i Kinetička Energija

Potencijalna energija —energija tela u mirovanjukoja zavisi od poloţajatela.

Kinetička energija —energija kretanja

Ovo je slučaj translacije

U= EK + EP

Potencijalna energija termodinamičkog sistema potiče od

položaja sistema kao celine u odnosu na druge sisteme

ili neki koordinatni sistem. Kinetička energija sistema je

rezultat kretanja sistema kao celine. Obe predstavljaju

tzv. SPOLJAŠNJU ENERGIJU.

Za razliku od toga, UNUTRAŠNJA ENERGIJA

termodinamičkog sistema proističe iz unutrašnjih

osobina materije, odnosno, iz strukture molekula

materije od koje je sastavljen termodinamički sistem.

Kinetička energija translacije

Kinetička energija rotacije

Kinetička energija vibracije

Potencijalna energija medjumolekulske interakcije

Kinetička energija — energija kretanja

Potencijalna energija — energijatela u mirovanju koja zavisi od poloţaja tela.

2

2

1vmEk

Pozitivni i negativni joni privlače jedni druge.

Zbog toga, dva atoma su vezana

Kako su česticemedjusobno vezane, one imaju manju potencijalnu energiju

NaCl —Na+ i Cl- joni.

Potencijalna energija na atomskoj skali

Unutrašnja energija sistema U: Ukupna količina energije koju sistem poseduje, svojom gradjom

Kinetička energija česticaa) Translatornab) Vibracionac) Rotaciona EK = ET + EV + ER

Potencijalna energija - energija poloţaja čestica sadrţana u vezamaa) hemijske veze – hemijska energijab) veze unutar atomskog omotačab) veze u jezgrima atoma – nuklearna energija

EP = Eveza + Enuklerano

E TOTAL = U = EK + EP

• PEčestica + KEčestica = Unutrašnja energija (U)

• Unutrašnja energija hemijskog sistema zavisi od

• Broja čestica

• Tipa čestica

• Temperature (jer kinetička energija zavisi od T!) – viša temperatura, veća unutrašnja energija!

Matematički aparat

U termodinamici se bavimo osobinama koje zavise od višepromenljivih. Neophodno je parcijalno diferenciranjeodredjenih veličina.

X - ekstenzivna veličina koja zavisi od više promenljivih. Tadaje: X = (T,P,V,M,…), odnosno, X = (x, y, z, …).

Promena te osobine X izmedju stanja A i stanja B biće zapisanakao:

XB - XA = X = (xB,yB,zB,…) - (xA,yA,zA,…)

što znači da konačna promena veličine X zavisi samo odpočetnog i krajnjeg stanja sistema.

Konvencije i matematički aparat primenjen u termodinamici

Da bi neka veličina bila termodinamička funkcija stanja,treba da budu zadovoljena sledeća dva uslova:

1. da njena promena ( X = (xB,yB,zB,…) - (xA,yA,zA,…))zavisi samo od početnog i krajnjeg stanja, a ne i od načinana koji je promena izvršena. Matametički zapis ovog uslovaglasi:

dX dX dXB

A

A

B

0

2. da se njena promena moţe prikazati kao potpuni(totalni) diferencijal; odnosno, kao zbir parcijalnihdiferencijala:

dXX

xdx

X

ydy

X

zdz

y z x z x y, , ,

dVV

TdT

V

PdP

P T

Ako je V = const., onda je dV = 0 i tada je

dVV

TdT

V

PdP

P T

0

P

T

V T

V PV

P

T

/

/

Uvodimo u razmatranje sistem koji moţe biti potpuno opisan sadve promenljive osobine y i z tada je bilo koja treća osobinastanja x poveza sa za y i z funkcijom (x,y,z). Bilo koje dve odtri promenljive mogu biti izdvojene kao nezavisne:

x = x(y,z) y = y(x,z) z = z(x,y)

dxx

ydy

x

wdw

w y

x

y

x

y

x

w

w

yz w y z

Ako pratimo promenu zapremine V, koja zavisi od P i T i ako sada uvedemo i njenu zavisnost od energije E, na primer, vaţi:

V

T

V

T

V

P

P

TE P T E

Vazne relacije vezane za drugi izvod:

P

V

T

V

P T T

V

PP T

2

Neka je z - infinetizimalna promena veličine z koja moţe a ine mora biti potpuni diferencijal a L(x,y) i M(x,y) su funkcijedve nezavisne promenljive x i y; tada je

z = L(x,y) dx + M(x,y) dy

Ako je Z funkcija od x i y tada je

L

y

Z

x y

M

x

Z

x y

2 2

;

Z

xL x y

Z

yM x y

y x

, ; ,

L

y

Z

x y

M

x

2

Ovo je Euler-ova (Ojlerova) relacija.

PROMENA U TERMODINAMIČKOM SMISLU ZNAČIPROMENU STANJA SISTEMA I DATA JE PROMENOMUNUTRAŠNJE ENERGIJE KAO FUNKCIJE STANJASISTEMA: U2 – U1 = U

Gde U1 označava unutrašnjuenergiju u stanju 1, a U2

unutrašnju energiju u stanju2. Sistem je promenio svojuenergiju prelazeći iz stanja 1u stanje 2. Stanje 1 jepočetno stanje sistema astanje 2 je krajnje stanjesistema.

Apsolutna vrednost unutrašnje energije nije poznata, ali utermodinamici je vaţna samo promena unutrašnje energije

! UNUTRAŠNJA ENERGIJA JE FUNKCIJA STANJA !

Promena unutrašnje energije u nekom sistemu ne zavisi od puta koji je sistem prošao, već zavisi samo od početnog i krajnjeg stanja sistema. Promena unutrašnje energije je kao promena visine prilikom penjanja na planinu. Dostizanje odredjene visine prilikom penjanja ne zavisi od puta kojim se stiţe do te visine. Istovremeno se vidi da je datu visinu moguće dostići krećući se na beskrajan broj različitih puteva.

2

1

12

U

U

UUUdU