PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Samankaltaiset tiedostot
PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

Spontaanissa prosessissa Energian jakautuminen eri vapausasteiden kesken lisääntyy Energia ja materia tulevat epäjärjestyneemmäksi

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Luento 4. Termodynamiikka Termodynaamiset prosessit ja 1. pääsääntö Entropia ja 2. pääsääntö Termodynaamiset potentiaalit

Lämmityksen lämpökerroin: Jäähdytin ja lämmitin ovat itse asiassa sama laite, mutta niiden hyötytuote on eri, jäähdytyksessä QL ja lämmityksessä QH

Muita lämpökoneita. matalammasta lämpötilasta korkeampaan. Jäähdytyksen tehokerroin: Lämmityksen lämpökerroin:

Palautus yhtenä tiedostona PDF-muodossa viimeistään torstaina

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ

Teddy 1. välikoe kevät 2008

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

kuonasula metallisula Avoin Suljettu Eristetty S / Korkealämpötilakemia Termodynamiikan peruskäsitteitä

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

Ohjeellinen pituus: 2 3 sivua. Vastaa joko tehtävään 2 tai 3

7 Termodynaamiset potentiaalit

Lämpöopin pääsäännöt

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Termodynamiikka. Termodynamiikka on outo teoria. Siihen kuuluvat keskeisinä: Systeemit Tilanmuuttujat Tilanyhtälöt. ...jotka ovat kaikki abstraktioita

2. Termodynamiikan perusteet

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Ideaalikaasulaki. Ideaalikaasulaki on esimerkki tilanyhtälöstä, systeemi on nyt tietty määrä (kuvitteellista) kaasua

6. Yhteenvetoa kurssista

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Clausiuksen epäyhtälö

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

PHYS-A0120 Termodynamiikka. Emppu Salonen

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Luku Pääsääntö (The Second Law)

Valitse seuraavista joko tehtävä 1 tai 2

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

- Termodynamiikka kuvaa energian siirtoa ( dynamiikkaa ) systeemin sisällä tai systeemien kesken (vrt. klassinen dynamiikka: kappaleiden liike)

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

ln2, missä ν = 1mol. ja lopuksi kaasun saama lämpömäärä I pääsäännön perusteella.

4. Termodynaamiset potentiaalit

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

1. Laske ideaalikaasun tilavuuden lämpötilakerroin (1/V)(dV/dT) p ja isoterminen kokoonpuristuvuus (1/V)(dV/dp) T.

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Thermodynamics is Two Laws and a Li2le Calculus

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

4. Termodynaamiset potentiaalit

1 Clausiuksen epäyhtälö

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

VIII KIERTOPROSESSIT JA TERMODYNAAMISET KONEET 196

FY9 Fysiikan kokonaiskuva

782630S Pintakemia I, 3 op

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

Luku6 Tilanyhtälö. Ideaalikaasun N V. Yleinen aineen. paine vakio. tilavuus vakio

energian), systeemi on eristetty (engl. isolated). Tällöin sekä systeemiin siirtynyt

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Torstai klo Termodynamiikan käsitteitä

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

2. Termodynamiikan perusteet

PHYS-A0120 Termodynamiikka. Emppu Salonen

VII LÄMPÖOPIN ENSIMMÄINEN PÄÄSÄÄNTÖ

T H V 2. Kuva 1: Stirling kiertoprosessi. Ideaalisen Stirlingin koneen sykli koostuu neljästä osaprosessista (kts. kuva 1):

LUKU 16 KEMIALLINEN JA FAASITASAPAINO

Kemialliset reaktiot ja reaktorit Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta I

3Työ. 3.1 Yleinen määritelmä

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Termofysiikan perusteet

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

Tämän päivän ohjelma: ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

Ensimmäinen pääsääntö

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]

1. Johdanto. FYSA241, kevät Tuomas Lappi kl Huone: FL249. Ei kiinteitä vastaanottoaikoja.

KLASSISET TASAPAINOJOUKOT (AH 4.3, , 7.2) Yleisesti joukoista

4. Termodynaamiset potentiaalit

Kemiallinen reaktio

Lämpöopin pääsäännöt. 0. pääsääntö. I pääsääntö. II pääsääntö

TERMODYNAMIIKAN KURSSIN FYS 2 KURS- SIKOKEEN RATKAISUT

Statistinen fysiikka, osa A (FYSA241)

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Entalpia - kuvaa aineen lämpösisältöä - tarvitaan lämpötasetarkasteluissa (usein tärkeämpi kuin sisäenergia)

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

Transkriptio:

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017 Emppu Salonen Prof. Peter Liljeroth Viikko 5: Termodynaamiset potentiaalit Maanantai 27.11. ja tiistai 28.11.

Kotitentti Julkaistaan ti 5.12., palautus viim. ke 20.12. Palautetaan MyCoursesissa, ainoa sallittu formaatti: PDF Työmäärä on mitoitettu kurssin kokonaistyömäärän mukaan Kotitentin ja kurssin tulokset vasta ensi vuoden alussa + Virallinen kurssipalaute 1.-20.12. Vastaamalla saat kurssin arvosteluun 2 laskaripistettä lisää!

Kurssin aiheet 1. Lämpötila ja lämpö 2. Työ ja termodynamiikan 1. pääsääntö 3. Lämpövoimakoneet ja termodynamiikan 2. pääsääntö 4. Entropia 5. Termodynaamiset potentiaalit 6. Faasimuutokset

Aiheet tällä viikolla Termodynamiikan 3. pääsääntö Kemiallinen potentiaali Termodynaamiset potentiaalit Maxwellin relaatiot ja vastefunktiot

Tavoitteet Osaat selittää käsitteet kemiallinen potentiaali ja termodynaaminen potentiaali Osaat valita tarkasteltuun ongelmaan sopivan termodynaamisen potentiaalin ja ratkaista tämän avulla systeemin tasapainotilan Osaat johtaa Maxwellin relaatioita eri termodynaamisten tilanmuuttujien sekä kokeellisesti määritettävien vastefunktioiden välille

Termodynamiikan 3. pääsääntö

Entropian muutoksen mittaaminen Lämpökapasiteetti vakiopaineessa Entropian muutos Onko entropian absoluuttisen arvon määrittäminen mahdollista?

Termodynamiikan 3. pääsääntö Walther Nernst (1906) Absoluuttisen nollapisteen läheisyydessä kaikkien sisäisessä tasapainossa olevien systeemien reaktiot tapahtuvat ilman muutosta entropiassa Max Planck Täydellisen kiteen entropia absoluuttisessa nollapisteessä on nolla

3. pääsäännön seurauksia Lämpökapasiteetit häviävät, kun T 0 Kaasut eivät käyttädy ideaalikaasun tavoin matalissa lämpötiloissa

3. pääsäännön seurauksia On mahdotonta saavuttaa absoluuttista nollapistettä äärellisellä määrällä prosesseja Esimerkiksi kaasun adiabaattisessa jäähdyttämisessä X 1 ja X 2 ( > X 1 ) olisivat kaasun paine. Kaasu jäähdytettäsiin puristamalla sitä isotermisesti suurempaan paineeseen, jonka jälkeen kaasu laajenisi adiabaattisesti alempaan paineen arvoon (piirrä tämä pvkuvaajaan). Tätä prosessia toistettaisiin uudelleen ja uudelleen johtaen kaasun aseteittaiseen jäähtymiseen.

Kemiallinen potentiaali

Kemiallinen potentiaali μ 1. Faasimuutokset 2. Aggregoituminen ( klimppiintyminen ) 3. Jakautuminen faasien välillä 4. Kemialliset reaktiot... ja monia muita 2. Fyysikoillekin tärkeä suure! 3. Liittyy yleisesti ottaen kaikkiin prosesseihin, joissa hiukkaset (atomit, molekyylit, nanoklusterit jne.) muuttuvat toisiksi kemiallisesti tai fysikaalisesti tai joissa hiukkasten paikallinen ympäristö muuttuu (diffuusio, kulkeutuminen eri faasiin, faasimuutokset) 1. 4.

Faasimuutokset A. Kiinteä faasi A B C B. Faasimuutos (koeksistenssi) C. Nestefaasi Tätä käsitellään tarkemmin ensi viikolla termodynaamisen potentiaalin (tarkemmin Gibbsin vapaa energia) käsitteen avulla

Aggregoituminen Esimerkkinä misellien mudostuminen vedessä Kts. esim. https://en.wikipedia.org/wiki/critical_micelle_concentration

Jakautuminen faasien välillä

Kemiallinen potentiaali Termodynamiikan 1. pääsääntö (yleisin muoto) J. Willard Gibbs

Termodynaamiset potentiaalit

Mikä on entropian rooli ei-eristettyjen systeemien tasapainotilan määräämisessä?

Esimerkki: jään sulaminen http://www.ifm.liu.se/compchem/research/hbonds/ http://www.ifm.liu.se/compchem/research/hbonds/ http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/sn_icexv/ http://bgfons.com

Esimerkki: jään sulaminen T (K) ΔH (kj/mol) ΔS (kj/mol K) ΔG = ΔH TΔS (kj/mol) 263 5.619 0.021 0.213 273 6.008 0.022 0 283 6.397 0.023-0.226 http://www.ifm.liu.se/compchem/research/hbonds/ http://www.ifm.liu.se/compchem/research/hbonds/

Esimerkki: suolan liukeneminen Mikä on termodynaaminen ajava voima (~ hallitseva vaikutus) suolan liukenemiselle? Miten tämän voi helposti kokeella varmentaa? Sopiva termodynaaminen potentiaali on Gibbsin funktio, jolle nyt ΔG = ΔH TΔS. Mitataan veden lämpötila ennen ja jälkeen liukenemisen. Todetaan, että suolan liukeneminen on johtanut pieneen lämpötilan laskuun. Prosessi on siis spontaani (ΔG < 0) ja endoterminen (ΔH > 0), josta seuraa, että -T ΔS < 0 eli ΔS > 0. Systeemin entropia siis kasvaa ja entropian muutos on liukenemisen ajava voima.

Legendren muunnos Tarkastellaan kahden muuttujan funktiota Muuttujapareja u ja x sekä v ja y sanotaan konjugoiduiksi pareiksi Legendren muunnoksen idea: korvataan x tai y sen konjugaattiparilla, esim.

Maxwellin relaatiot ja vastefunktiot

Maxwellin relaatiot Jotta F(x,y) olisi eksakti differentiaali (muutos riippumaton integroimispolusta), täytyy olla

Maxwellin relaatiot U tilanfunktio ja täten du on eksakti differentiaali Tällöin esimerkiksi

Tee se itse! Johda seuraava Maxwellin relaatio Tee näin: 1. Löydä vapaat tilanmuuttujat 2. Valitse oikea termodynaaminen potentiaali ja muodosta sen differentiaali 3. Laske tupladerivaatat (ja tunnista tarvittaessa vastefunktiot)

Vastefunktiot Systeemin jonkin ominaisuuden K muutos tilanmuuttujan A infinitesimaalisen muutoksen myötä (B, C jne. pysyessä vakiona) Esim. isokoorinen lämpökapasiteetti

Vastefunktioita Isoterminen kokoonpuristuvuus (Isobaarinen) lämpölaajenemiskerroin Isobaarinen lämpökapasiteetti Yhteys kokeellisesti mitattavien ominaisuuksien ja tilanmuuttujien keskinäisten suhteiden välillä (tilanyhtälö!)