Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

1

Druhý zákony TD

ENTROPIA

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

2

Druhý zákon termodynamiky

• Cieľ:

• Pochopiť čo je zmena stavu

Pochopiť čo je zmena sta

• Ako sa tepelná energia mení na prácu

Ako sa tepelná energia mení na p

• Pochopiť termodynamický cyklus

• Pochopiť 2. zákon TD, Carnotov cyklus a

termodynamické funkcie

• Určiť teoretickú účinnosť cyklického

procesu

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

3

Parný stroj

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

4

Termodynamický cyklus

• Definícia

in

: Séria

Séria

termodynamických

termodynamický

pochodov, v

pochodov

ktorých dochádza k

ktorých dochádza

účinku

účin

prostredníctvom

prostredníctvo

redistribúcie

redistribúc

energie

energi

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

5

Päť základných prvkov

Päť základných prvko

termodynamického cyklu

termodynamickéh

• Pracovná látka: prenáša energiu v

Pracovná látka: prenáša energiu

sústave

sús

• Zdroj tepla (ohrievač)

Zdroj tepla (ohrie

: dodáva teplo

dodáva tepl

pracovnej látke

pracovnej l

• Chladič: odoberá teplo z pracovnej

Chladič: odoberá teplo z pracov

látky

• Stroj

St : zariadenie, ktoré mení tepelnú

zariadenie, ktoré mení tepel

energiu na prácu

energiu na prá

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

6

Tepelný stroj

Zdroj tepla

Chladič

Čerpadlo

Stroj

W

Q vstup

Q výst

Pracovná látka

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

7

Carnotov cyklus

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

8

Účinnosť Carnotovho cyklu

2

1

2

2

1

2

q

q

q

q

w

T

T

T

q

w

privedené

vykonaná

privedené

vykonaná

















• T2 je teplota

ohrievača

• T1 je teplota

chladiča

• Q2 je teplo

privedené z

ohrievača do

pracovnej látky

• Q1 je teplo

odvedené z

pracovnej látky

do chladiča

Účinnosť nezávisí od pracovnej látky !

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

9

2. Zákon TD

• Nie je možné zostrojiť tepelný stroj,

ktorý by nekonal nič iné iba menil teplo

ktorý by nekonal nič iné iba menil tep

na ekvivalentnú prácu (Clausius)

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

10

Ideálny tepelný stroj pracujúci v Carotovom
cykle prijíma teplo q

2 zo zásobníka tepla pri

teplote T

2 a odovzdáva do chladiča teplo q1 pri

teplote T

1

ENTROPIA

Ak prijmene konvenciu, že odovzdané teplo je
záporné a prijímané teplo má kladné znamienko,
potom:

1

1

2

2

T

q

T

q



0

1

1

2

2





T

q

T

q

+

-

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

11

Cyklický proces

0





T

q

Každý reverzibilný cyklus sa dá rozložiť na

mnoho Carnotových cyklov,preto:

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

12

Cyklický proces

0



T

q



 0

dS

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

13

Entropia

• Definujeme novú

Definujeme no

termodynamickú

termodynamic

funkciu

funkc

T

dq

dS



Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

14

ENTROPIA

• Vlastnosti:

– Jednotky

Jedn

J/K

– Mólová entropia J/K.mol

Mólová entropia J/K.m

– Je termodynamická funkcia, nezávisí od

Je termodynamická funkcia, nezávisí

cesty uskutočnenia premeny

cesty uskutočnenia prem

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

15

Entropia

• V izolovaných

V izolovanýc

sústavách rastie

sústavách rast

etropia

etro

• Entropia je mierou

Entropia je mie

neusporiadania

neusporiada

• Izolované sústavy

Izolované sústa

(vesmír) sa vyvíjajú v

(vesmír) sa vyvíjajú

smere rastúceho

smere rastúce

neusporiadania

neusporiada

T

dS

q





Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

16

ENTROPIA – TERMODYNAMICKÁ
FUNKCIA

Entropia, S, je termodynamická funkcia,
ktorá je mierou náhodilosti alebo
neusporiadania v sústave.

Obsah ruksaku

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

17

Zmena entropie pri ohreve 1

Zmena entropie pri ohreve

molu látky pri konštantnom tlaku;

molu látky pri konštantnom tlaku

Cp= konšt.

Cp= ko

dT

T

C

dS

p



1

2

p

1

2

ln

T

T

C

S

S





Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

18

Zmena entropie pri izotermickej

Zmena entropie pri izotermic

expanzii plynov

expanzii plyno
1 mol ideálneho plynu sa nechá expandovať pri

konštantnej teplote z objemu V1 na objem V2.
Aká je zmena entropie pri tejto ireverzibilnej
expanzii?







2

1

V

V

T

q

S







2

1

V

V

T

pdV





2

1

V

V

dV

V

R

1

2

ln

V

V

R



Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

19

Zmena entropie pri izochorickom

Zmena entropie pri izochoricko

ohreve 1 molu látky

ohreve 1 molu

1

2

v

1

2

ln

T

T

C

S

S





Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

20

Reverzibilný adiabatický proces

rev

T

q

S

S

 















2

1

1

2



0



q



Takže…
S=0

Reverzibilný adiabatický proces je
izoentropický!!

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

21

Uvažujme o vesmíre

• Vesmír možno pokladať za izolovanú

sústavu

0













okolia

sústavy

vesmíru

S

S

S

Or…

0











okolia

sústavy

celk

S

S

S

Toto je ďalšie matematické vyjadrenie
druhého zákona termodynamiky

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

22

Vývoj sústav (procesy)

Vývoj sústav (proc

• Proces

P

y smerujú iba v jednom určitom smere a

y smerujú iba v jednom určitom smere

sústavy sa vyvíjajú iba v smere rastúcej entropie

sústavy sa vyvíjajú iba v smere rastúcej entro

• Entrop

Ent

ia sa nezachováva. Nejestvuje zákon

ia sa nezachováva. Nejestvuje záko

zachovania entropie. Entropia vesmíru neustále

zachovania entropie. Entropia vesmíru neust

plynule rastie

plynule ra

• Chod strojov sa zhoršuje následkom nevratných

Chod strojov sa zhoršuje následkom nevratn

dejov a rast entropie je mierou nevratných dejov,

dejov a rast entropie je mierou nevratných dejo

ktoré v takýchto zariadeniach prebiehajú

ktoré v takýchto zariadeniach prebieha

0



celk

S

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

23

(∆S

súst.+ ∆Sokolia) > 0

pri samovoľnom (spontánnom ) procese

Živé organizmy: ∆S<0

Životné prostredie:

Δ S>>0

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

24

TS diagram

T

ep

lo

ta

Entropia

Izotermický Process

q

1

2

T

ep

lo

ta

Entropia

Izoentropický
Process

1

2

q=0

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

25

T-S diagram Carnotovho cyclu

T

em

pe

ra

tu

re

Entropia

1

Izoentropická
kompresia

Q

in

W=q

privedené-

q

odvedené

q

odved

ené

2

Izotermická
expanzia

3

Izoentropic
ká
expanzia

Izotermická
kompresia

4

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

26

OTÁZKY ???

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

27

 A process that occurs without ongoing

outside intervention.

Examples
• Nails rusting outdoors

SPONTANEOUS PROCESS

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

28

∆G tells us how far the system is from equilibrium

∆G << 0

∆G = 0

∆G > 0

∆G < 0

A

B

A <=====> B
∆G = G

B-GA

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

29

A + B <==> C + D

Δ G =

[

aC]

e q

[

aD]

e q

[

aA]

e q

[

aB]

e q

R T l n

-

R T l n

[

aC] [ aD]

[

aA] [ aB]

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

30

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

31

P=1M, R=1M (standard condition)

∆Go = - RT ln K

eq = - 2.303 RT log Keq

∆Go is the standard free energy change

² G = RT ln

- RT lnK

eq

P

R

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

32

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF Te

Fyzikálna chémia,1.ročník, HF

chnická univerzita v Košiciach

chnická univerzita v Košici

33

At the standard temperature of 298oK (25oC):

² Go = -1.36 lo g K

eq

(1) K

eq >1, then ∆G

o

< 0

(2) K

eq< 1, then ∆G

o

> 0

(3) K

eq= 1, then ∆G

o

= 0