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

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

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

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

7 Termodynaamiset potentiaalit

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

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

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Teddy 1. välikoe kevät 2008

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

1. van der Waalsin tilanyhtälö: 2 V m RT. + b2. ja C = b2. Kun T = 273 K niin B = cm 3 /mol ja C = 1200 cm 6 mol 2

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

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

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

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

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

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

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

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

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

Clausiuksen epäyhtälö

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

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

6. Yhteenvetoa kurssista

Luku Pääsääntö (The Second Law)

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

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

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

766328A Termofysiikka Harjoitus no. 10, ratkaisut (syyslukukausi 2014)

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

Integroimalla ja käyttämällä lopuksi tilanyhtälöä saadaan T ( ) ( ) H 5,0 10 J + 2,0 10 0,50 1,0 10 0,80 Pa m 70 kj

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

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

Vauhti = nopeuden itseisarvo. Nopeuden itseisarvon keskiarvo N:lle hiukkaselle määritellään yhtälöllä

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

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

Gibbsin energia ja kemiallinen potentiaali määräävät seosten käyttäytymisen

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

4. Termodynaamiset potentiaalit

Oikeat vastaukset: Tehtävän tarkkuus on kolme numeroa. Sulamiseen tarvittavat lämmöt sekä teräksen suurin mahdollinen luovutettu lämpö:

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Käyttämällä annettua kokoonpuristuvuuden määritelmää V V. = κv P P = P 0 = P. (b) Lämpölaajenemisesta johtuva säiliön tilavuuden muutos on

Ilman suhteellinen kosteus saadaan, kun ilmassa olevan vesihöyryn osapaine jaetaan samaa lämpötilaa vastaavalla kylläisen vesihöyryn paineella:

η = = = 1, S , Fysiikka III (Sf) 2. välikoe

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Ekso- ja endotermiset reaktiot sekä entalpian muutos

PHYS-A0120 Termodynamiikka. Emppu Salonen

Kaasu 2-atominen. Rotaatio ja translaatiovapausasteet virittyneet (f=5) c. 5 Ideaalikaasun tilanyhtälöstä saadaan kaasun moolimäärä: 3

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

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

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

Tasapainotilaan vaikuttavia tekijöitä

TERMODYNAMIIKAN KURSSIN FYS 2 KURS- SIKOKEEN RATKAISUT

4. Termodynaamiset potentiaalit

L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

8 Aineen olomuodot. 8-1 Olomuodon muutokset

Tehtävä 1. Tasapainokonversion laskenta Χ r G-arvojen avulla Alkyloitaessa bentseeniä propeenilla syntyy kumeenia (isopropyylibentseeniä):

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

Thermodynamics: An Engineering Approach, 7 th Edition Yunus A. Cengel, Michael A. Boles McGraw-Hill, Luku 7 ENTROPIA

4. Termodynaamiset potentiaalit

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

1 Clausiuksen epäyhtälö

Luku 8 EXERGIA: TYÖPOTENTIAALIN MITTA

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

6-1 Hyötysuhde ja tehokerroin

Erilaisia entalpian muutoksia

V T p pv T pv T. V p V p p V p p. V p p V p

kuonasula metallisula Avoin Suljettu Eristetty S / Korkealämpötilakemia Termodynamiikan peruskäsitteitä

Thermodynamics is Two Laws and a Li2le Calculus

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

VII LÄMPÖOPIN ENSIMMÄINEN PÄÄSÄÄNTÖ

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Biofysiikka Luento Entropia, lämpötila ja vapaa energia. Shannonin entropia. Boltzmannin entropia. Lämpötila. Vapaa energia.

Erilaisia entalpian muutoksia

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

LHSf5-1* Osoita, että van der Waalsin kaasun tilavuuden lämpötilakerroin on 2 γ = ( ) RV V b T 2 RTV 2 a V b. m m ( ) m m. = 1.

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

3Työ. 3.1 Yleinen määritelmä

6. Entropia, lämpötila ja vapaa energia

CHEM-A1110 Virtaukset ja reaktorit. Laskuharjoitus 9/2016. Energiataseet

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

Transkriptio:

766328A Termofysiikka Harjoitus no. 7, ratkaisut (syyslukukausi 2014) 1. Sylinteri on ympäristössä, jonka paine on P 0 ja lämpötila T 0. Sylinterin sisällä on n moolia ideaalikaasua ja sen tilavuutta kasvatetaan isotermisesti ympäristön lämpötilassa arvosta arvoon. (a) Systeemin ja sen tilamuuttujien funktio A (engl. availability) määritellään yhtälöllä A = E + P 0 V T 0 S, (7.10) jolloin Clausiuksen epäyhtälö tulee muotoon A 0, missä yhtäsuuruus pätee reversiibeleille ja epäyhtälö irreversiibeleille prosesseille. Jos systeemiin tehdään paineen aiheuttaman tilavuudenmuutostyön W lisäksi muutakin työtä W x, voidaan Clausiuksen epäyhtälö yleistää muotoon W x A, missä W x on systeemin tekemä käyttökelpoinen työ. Isotermisessä prosessissa ideaalikaasun sisäinen energia ei muutu, jolloin E = Q + W = 0 Q = W. Epäyhtälöstä saadaan tällöin W x ( E + P 0 V T 0 S) = 0 P 0 ( ) + Q = P 0 ( ) W. Ideaalikaasun tilanyhtälön P V = nrt ja tilavuudenmuutostyön dw = P dv avulla käyttökelpoiseksi työksi saadaan W x P 0 ( ) + P dv = P 0 ( ) + nrt 0 = nrt 0 ln P 0 ( ). (b) Työn W x lausekkeessa ensimmäinen termi kuvaa kaasun laajenemisessa tehtyä kokonaistyötä. Jälkimmäinen, negatiivinen termi kuvaa ulkoisen paineen laajenemista vastaan tekemää työtä, joka luonnollisesti pienentää edellä laskettua ylärajaa. dv V (c) Lopputilavuuden arvo, jolla W x maksimoituu, saadaan derivaatan nollakohdasta, 0 = ( W x) = [ nrt 0 ln V ] 2 P 0 ( ) = nrt 0 P 0 = nrt 0 P 0. Tämä on maksimi, koska 2 ( W x )/ 2 = nrt 0 / 2 < 0. Sylinterin sisällä oleva paine on maksimissa siis P 0 eli sama kuin ulkoinen paine. 1

(d) Edellä lasketussa lopputilavuudessa sylinterin sisällä oleva paine on täsmälleen P 0, koska siihen asti laajenemista voidaan mahdollisesti hyödyntää systeemin ulkopuoliseen työhön. Jos laajenemista edelleen jatkettaisiin, työtä tehtäisiin ulkoista painetta vastaan, jolloin käyttökelpoisen työn suuruus pienenisi. Toisaalta nähdään, että jos ulkoinen paine P 0 0, työn W x negatiivinen termi häviää kokonaan. Tällöin myös, koska ulkoinen paine ei enää vastusta laajenemista lainkaan. 2. Happea on n = 1 mol. Sen paine kasvaa isotermisesti ja reversiibelisti lämpötilassa T = 30,0 = 303,15 K arvosta = 100 kpa arvoon P 2 = 5,00 MPa. Hapen oletetaan käyttäytyvän ideaalikaasun tavoin, jolloin sen tilanyhtälö on P V = nrt. Tällöin dv dp = nrt P 2 dv = nrt P dp. 2 Koska ideaalikaasun sisäinen energia on isotermisessä prosessissa vakio, E = W + Q = 0, jolloin saadaan Entalpian Q = W = = P 2 P dv P = nrt ( nrt ) dp P 2 P 2 dp P = nrt ln P 2 = 1 mol 8,314472 J mol 1 K 1 303,15 K ln 5 106 Pa 100 10 3 Pa = 9860,379901 J 9,86 kj. muutos on isotermisen prosessin vuoksi H = E + P V (7.24) H = E + (P V ) = E + nr T = 0 J. Entropian muutokseksi saadaan edellä lasketun lämpömäärän avulla S = Q T = 9860,379901 J 303,15 K = 32,52640574 J/K 32,5 J/K. 2

Helmholtzin vapaan energian F = E T S (5.10) muutos on F = E T S = 0 Q 9,86 kj. Gibbsin vapaan energian muutos on ideaalikaasun tilanyhtälön avulla G = E + P V T S (7.21) G = E + nr T T S = 0 + 0 Q 9,86 kj. 3. Kun n = 1 mol typpioksidia NO hajoaa typeksi ja hapeksi, systeemin entropia muuttuu määrällä S = 76 J/K ja entalpia määrällä H = 82 kj. Prosessin alussa ja lopussa lämpötila on T = 25 = 298,15 K ja paine P = 1 atm. Gibbsin vapaan energian muutos on G = (E + P V T S) = (E + P V ) T S = H T S = 82 10 3 J 298,15 K 76 J K 1 = 104659,4 J 100 kj. 4. Happimäärä n = 10,0 mol laajenee isotermisesti lämpötilassa T = 20 = 293,15 K tilavuudesta = 10,0 l = 10,0 10 3 m 3 tilavuuteen = 50,0 l = 50,0 10 3 m 3 noudattaen van der Waalsin tilanyhtälöä ) (P + an2 (V bn) = nrt P = nrt V bn an2, missä a = 0,138 J m 3 /mol 2 ja b = 31,8 cm 3 /mol. Helmholtzin vapaan energian infinitesimaalisen pieni muutos isotermisessä prosessissa df = de T ds saadaan termodynamiikan perusrelaation de = T ds P dv avulla muotoon df = P dv F = P dv. 3

Käyttäen edellä mainittua tilanyhtälöä, Helmholtzin vapaan energian muutokseksi saadaan F = ( ) nrt V bn an2 dv / ] = [nrt ln(v bn) + an2 V = nrt ln V ( 2 bn 1 bn an2 1 ) = 10,0 mol 8,314472 J mol 1 K 1 293,15 K ln 50,0 10 3 m 3 31,8 10 6 m 3 mol 1 10,0 mol 10,0 10 3 m 3 31,8 10 6 m 3 mol 1 10,0 mol 0,138 J m 3 mol 2 (10,0 mol) 2 ( 1 50,0 10 3 m 3 1 10,0 10 3 m 3 = 38756,40586 J = 38,8 kj. 5. 100 g nestemäistä vettä jäätyy reversiibelisti vakiopaineessa P = 1 atm = 101325 Pa ja vakiolämpötilassa T = 0 = 273,15 K. Veden tilavuus kasvaa tällöin määrällä V = 9,06 cm 3 ja entropia muuttuu määrällä S = 123 J/K. (a) Reversiibeli jäätymisprosessi tapahtuu vakiolämpötilassa ja -paineessa, jolloin tarkasteltavan systeemin voidaan katsoa olevan sekä termisessä että mekaanisessa kontaktissa lämpökylvyn kanssa. Luentojen perusteella tällaisen prosessin suunnan määräävä termodynaaminen potentiaali on Gibbsin vapaa energia G = E + P V T S, joka saavuttaa tasapainossa miniminsä. (b) Kohdan (a) perusteella G = E + P V T S = 0, jolloin sisäisen energian muutos voidaan kirjoittaa muotoon E = T S P V. Jäätymisen aiheuttamat veden sisäisen energian, tilavuuden ja entropian muutokset eivät merkittävästi riipu paineesta ja lämpötilasta, jolloin sisäisen energian muutokseksi saadaan E = T 1 S V = T 2 S P 2 V, missä T 1 = 0 on jäätymislämpötila paineessa = 1 atm ja T 2 on jäätymislämpötila paineessa P 2 = 1000 atm. Jälkimmäiseksi lämpötilaksi saadaan ratkaistua T 2 = T 1 S V + P 2 V S = T 1 + V S (P 2 ) = 273,15 K 9,06 10 6 m 3 123 J K 1 (1000 atm 1 atm) 101325 Pa atm 1 = 265,6940122 K 7,46. Paineen kasvaessa jäätymispiste siis alenee. ) 4

6. Grafiitin tiheys ρ G = 2,260 g/cm 3, entropia S G = 5,694 J/(mol K) ja vakiopaineessa tapahtuvan palamisen tuottama lämpömäärä T = 25 = 298,15 K lämpötilassa on l G = 393,4 kj/mol. Timantille vastaavat arvot ovat ρ T = 3,513 g/cm 3, S T = 2,439 J/(mol K) ja l T = 395,3 kj/mol. Edellä mainitut arvot eivät riipu merkittävästi paineesta. Hiilen moolimassa M m = 12 g/mol. Puristusprosessi tapahtuu vakiolämpötilassa T ja -paineessa P, jolloin luentojen perusteella Gibbsin vapaa energia G = E + P V T S määrää prosessin suunnan. Grafiitti ja timantti ovat yhtä stabiileja, jos G = 0, jolloin G = 0 = E + P V T S T S E P =. V Koska grafiitin ja timantin palamisreaktioiden lopputulos on sama, palamislämpöjen erotus on sama kuin sisäisten energioiden erotus, jolloin P = T (S T S G ) (l T l G ) V m,t V m,g, missä on käytetty moolitilavuuksia V m = M m /ρ, koska entropiat ja palamislämmöt on ilmoitettu moolia kohden. Lukuarvot sijoittamalla saadaan paineeksi P = [298,15 K ( 2,439 J mol 1 K 1 5,694 J mol 1 K 1) ( 395,3 10 3 J mol 1 393,4 10 3 J mol 1) ] ( 0,012 kg mol 1 3513 kg m 3 = 1515683533 Pa 15 000 atm. ) 1 0,012 kg mol 1 2260 kg m 3 5