1

VITAJTE !

Ľudmila Komorová
Katedra chémie
Hutnícka fakulta, TU v Košiciach

2

Kurz Fyzikálnej chémie,1.ročník
poslucháčov bakalárskeho štúdia

3

FYZIKÁLNA CHÉMIA- úvod

 FYZIKA-CHÉMIA
 1887 Fyzikálna chémia,Lipsko
 Študuje všeobecné zákonitosti

chemických dejov a používa zákony
fyziky

4

Základné otázky FCH

 Kam smerujú procesy ?
 Ako rýchlo tam smerujú?

5

Odvetvia FCH

 Náuka o štruktúre látok
 Termodynamika
 Elektrochémia
 Kinetika
 Koloidná chémia

6

Využitie termodynamiky

Elektrárne

Ľudské telo

Klimatizácia

Lietadlá

Radiátory

Chladiace systémy

7

TERMODYNAMIKA
definícia:

 Oxforský slovník:
Teória súvislostí medzi teplom a mechanickou
energiou a ich vzájomnou premenou
 Sonntag a Van Wylen:
veda, ktorá sa zaoberá prácou a teplom a
vlastnosťami látok

8

TERMODYNAMIKA
definícia:

 Van Ness:
štúdium energie a jej premien
 Malá slov. encyklopédia:
časť termiky skúmajúca vlastnosti a procesy veľkých
sústav bez prihliadnutia na ich mikroštruktúru;
skúma najma energiu sústavy a jej zmeny
vyvolané tepelnou výmenou a prácou

9

TERMODYNAMIKA

 Chemická:používa termodynamické zákony
na chemické reakcie
 Inžinierska:zaoberá sa prácou
tepelných strojov
 Štatistická:formuluje vzťah medzi vlastnosťami
atómov a vlastnosťami sústavy

10

Základné pojmy
termodynamiky

ENERGIA,TEPLO,PRÁCA,
TEPLOTA,SÚSTAVA,OKOLIE....

11

HISTÓRIA
TERMODYNAMIKY

 Kalorická teória
 Premena mechanickej práce na teplo
 Mechanický ekvivalent tepla
 Premena tepla na prácu
 Termodynamické vety

12

Benjamin Thompson
gróf Rumford
1753-1814

13

Julius Robert von Mayer
1814-1878

14

James Prescott Joule
1811-1889

15

Nicolas Léonard Sadi Carot
1796-1832

16

Hermann Ludwig Ferdinand von
Helmholtz
1821-1894

17

Josiah Willard Gibbs
1839-1903

18

William Thompson (Lord Kelvin)
1824-1907

19

História TERMODYNAMIKY

Katedra chémie, HF, TUKE

2005

Rok

Udalosť

1798 Rumford (Benjamin Thompson) začal kvantitatívne skúmať premenu práce na

teplo vo sojich slávnych pokusch pri vŕtaní delových hlavní.

1799 Sir Humphry Davy skúmal premenu práce na teplo trením kociek ľadu o seba.

1824 Sadi Carnot publikoval svoju slávnu dizertačnú prácu " Reflections sur la force

locomotrice du feu“," ktorej je nová koncepcia práce cykl a princíp, že
funkciacreverzibilného cyklického stroja pracujúceho medzi dvomi zásobníkmi
tepla závisí iba od teploty zásobníkov a nie od pracovnej látky.

1842 Mayer postuloval zákon zachovania energie.

1847 Helmholtz formuloval princím zacovaia energie nezávisle od Mayera.

1843-

1848

James Prescott Joule položil experimentálny základ prvej vety termodynamickej
pokusmi, pri ktorých určil ekvivalenciu tepla a práce (mechanický ekvivalent
tepla). V súčasnosti sa vzdáva hold tomuto vedcovi tým, že sa jeho meno používa
ako jednotka (J).

1848 Lord Kelvin (William Thomson) definoval termodynamickú teplotnú stupnicu na

základe carotovho cyklu.

1850 Rudolf J. Clausius bol pravdepodobne prvý, ktorý rozoznal, že existujú dva

základné princípy: prvá a druhá veta termodynamická. Zaviedol pojem U, ktorý sa
teraz nazýva vnútorná energia.

1865 Clausius formuloval prvý a druhý zákon termodynamiky v dvoch riadkoch:

1. Energia vesmíru je konštantná.
2. Entropia vesmíru rastie do maxima.

1875 Josiah Willard Gibbs publikoval svoju významnú prácu : " On

the Equilibrium of Heterogeneous Substances," ktorá rozširuje termodynamiku na
heterogénne systémy a chemické reakcie. Vytvoril pojem chemický potenciál.

1897 Max Planck formuloval druhý zákon termodynamiky v podobe:

"Nie je možné zostrojiť tepelný stroj, ktorý ak by pracoval cyklicky, by nerobil nič
iné iba konal mechanickú prácu a ochladzoval zásobník tepla.“
reservoir."

História TERMODYNAMIKY

Katedra chémie, HF, TUKE

2005

Rok

Udalosť

1798 Rumford (Benjamin Thompson) začal kvantitatívne skúmať premenu práce na

teplo vo sojich slávnych pokusch pri vŕtaní delových hlavní.

1799 Sir Humphry Davy skúmal premenu práce na teplo trením kociek ľadu o seba.

1824 Sadi Carnot publikoval svoju slávnu dizertačnú prácu " Reflections sur la force

locomotrice du feu“," ktorej je nová koncepcia práce cykl a princíp, že
funkciacreverzibilného cyklického stroja pracujúceho medzi dvomi zásobníkmi
tepla závisí iba od teploty zásobníkov a nie od pracovnej látky.

1842 Mayer postuloval zákon zachovania energie.

1847 Helmholtz formuloval princím zacovaia energie nezávisle od Mayera.

1843-

1848

James Prescott Joule položil experimentálny základ prvej vety termodynamickej
pokusmi, pri ktorých určil ekvivalenciu tepla a práce (mechanický ekvivalent
tepla). V súčasnosti sa vzdáva hold tomuto vedcovi tým, že sa jeho meno používa
ako jednotka (J).

1848 Lord Kelvin (William Thomson) definoval termodynamickú teplotnú stupnicu na

základe carotovho cyklu.

1850 Rudolf J. Clausius bol pravdepodobne prvý, ktorý rozoznal, že existujú dva

základné princípy: prvá a druhá veta termodynamická. Zaviedol pojem U, ktorý sa
teraz nazýva vnútorná energia.

1865 Clausius formuloval prvý a druhý zákon termodynamiky v dvoch riadkoch:

1. Energia vesmíru je konštantná.
2. Entropia vesmíru rastie do maxima.

1875 Josiah Willard Gibbs publikoval svoju významnú prácu : " On

the Equilibrium of Heterogeneous Substances," ktorá rozširuje termodynamiku na
heterogénne systémy a chemické reakcie. Vytvoril pojem chemický potenciál.

1897 Max Planck formuloval druhý zákon termodynamiky v podobe:

"Nie je možné zostrojiť tepelný stroj, ktorý ak by pracoval cyklicky, by nerobil nič
iné iba konal mechanickú prácu a ochladzoval zásobník tepla.“
reservoir."

20

Sústava
 Časť hmoty alebo priestoru



Uzavretá sústava



Otvorená sústava



Izolovaná sústava



Adiabatická

 Okolie – všetko mimo sústavy
 Hranica



Stacionárna



Pohyblivá

21

Uzavretá sústava

Sústava

E

E

22

Otvorená sústava

Ohriev

ač vody

Látk

a

Látk

a

Energia

Energi

a

23

Analýza sústav

 Prístup je odlišný pre otvorené a

uzavreté sústavy

 Energia existuje v rôznych podobách
 Používajú sa termodynamické veličiny

24

Energia = E

 Makroskopická



Vzhľadom na určitý referenčný stav

 Mikroskopická



Vztiahnutá na molekulárnu štruktúru

25

Jednotky energie

J

(kJ) = Joul (alebo Kilo Joul =

Joul x 103)

Nm

= Newton meter

kalória (cal)= teplo potrebné na

ohrev 1 g vody pri teplote 15şC o
1şC

1 kcal = 1000 cal

26

Makroskopická energia
 Kinetická energia

(KE)

 Potenciálna energia

(PE)

27

Iné druhy makroskopickej
energie

 Magnetická
 Elektrická
 Povrchové napätie

28

Mikroskopická energia
 Kinetická energia jednotlivých molekúl
 Potenciálna energia jednotlivých

molekúl

 Väzbové sily



Chemická energia



Jadrová energia



Sčítajú sa spolu a zahrnú do vnútornej

energie (U)

29

Makroskopická a

mikroskopická energia

sú statické formy

energie- môžu sa v

systéme zhromažďovať

30

Dynamická energia

 Keď sa energia pohybuje z jedného

miesta na druhé

 Jediné druhy energie, ktoré môžu

prechádzať cez hranicu sústavy bez
prenosu látky sú:

 Teplo (q)
 Práca (w)

31

Teplo
 Sústava nemôže obsahovať teplo
 Teplo existuje iba ako energia, ktorá

prestupuje cez hranice sústavy

 To čo pokladáme sa tepelný obsah sústavy je

Tepelná energia

 Teplo je energia, ktorá sa prenáša pri rozdiele

teplôt

 Všetky ostatné formy prenosu energie sú

práca!!

32

Vlastnosti sústavy
termodynamické veličiny
 Intenzívne



Nezávisia od veľkosti sústavy



Teplota



Tlak

 Extenzívne



Závisia od veľkosti sústavy



Objem



Hmotnosť



Celková energia

33

Symboly termodynamických
veličín a jednotky

 hmotnosť
 teplota
 tlak
 hustota
 energia
 teplo
 práca
 objem

m, kg
T, K or °C
P, kPa
, kg/m3
E, kJ
q, J, kJ
w, J, kJ
V, m3

34

Vlastnosti sústavy sa dajú
definovať aj pomocou:
 Hustoty



= m/V

 Špecifického objemu



v = V/m = 1/



 Extenzívne vlastnosti sa dajú vyjadriť

na jednotkové množstvo látky



Špecifické vlastnosti



u = U/m je špecifická vnútorná energia

35

Specifické termodynamické
veličiny

Špecifický objem

Špecifická energia

Špecifická entalpia

Špecifická entropia



v



V

m

, m3 kg



e



E

m

, kJ kg



h



H

m

, kJ kg



s



S

m

, kJ kg

K

36

Koľko termodynamických
veličín?

37

GIBBSOV ZÁKON FÁZ

 v = z – f + 2
 v- počet stupňov voľnosti
 z- počet zložiek (počet nezávislých

zložiek)

 f - počet fáz

38

Definície v,z a f

 v – počet stupňov voľnosti je najmenší počet veličín, ktorý

jednoznačne definuje termodynamický (makroskopický) stav
sústavy

 z- je počet zložiek
a) u sústav, v ktorých zložky medzi sebou neragujú sú to všetky

prvky a zlúčeniny, ktoré sú v sústave

b) v chemických reakčných sústavách je celkový počet zložiek

zmenšený o počet chemických reakcií medzi prítomnými
zložkami

 f- počet fáz: z koľkých homogénnych častí sa sústava skladá

39

Jednofázová, (homogénna)

jednozložková sústava

z=1
f=1

v = 1-1+2 =

2

40

Termodynamický stav

 Termodynamický stav jednozložkovej a

jednofázovej sústavy môžeme
definovať

 P,T
 V,P
 P,V

41

Termodynamický
(makroskopický) stav

 V danom stave majú všetky

termodynamickéické veličiny sústavy
stálu hodnotu

 Ak sa zmenia zmení sa stav
 Termodynamika sa zaoberá

rovnovážnymi stavmi

42

Rovnovážny stav

 Rovnováha je idealizovaný stav, v

ktorom nejestvujú „hnacie sily“, ktoré by
mali schopnosť meniť stav sústavy

 Hnacími silami sú gradienty teploty,

tlaku, hustoty alebo zloženia

43

Proces

 Zmena z jedného rovnovážneho stavu

do druhého

 Cesta je sériou stavov, ktorými sústava

pri procese prechádza

 Diagramy procesov

44

Proces (schéma)

Sústava v stave 1

Sústava v stave 2

Proces

Prenos tepla

Práca

Prenos látky

45

Diagram Procesu

P

T

Stav 1

Stav 2

Cesta

procesu

P1

T1

T2

P

2

46

Definícia stavu

Stav jednofázovej

sústavy je úplne

definovaný dvoma

nezávislými,

intenzívnymi

vlastnosťami

47

Definícia stavu

Stav jednofázovej

sústavy je úplne

definovaný dvoma

nezávislými,

intenzívnymi

vlastnosťami

48

Izo
 Často budeme hovoriť o procese, pri ktorom

je jedna vlastnosť konštantná

 Izotermický



Konštantná teplota

 Izobarický



Konštantný tlak

 Izochorický



Konštantný objem

Adiabatický


Bez výmeny tepla

49

Tlak

 Sila, ktorou pôsobí tekutina na

jednotkovú plochu

 Má význam iba pre plyn alebo kvapalinu
 V tuhých látkach hovoríme o napätí

50

A

F

P



2

m

N

Pa



jeden Pascal nie je veľký

tlak!!
1 atm = 101,325

Pa

Jednotky tlaku

1 atm = 101.325 kPa = 1.01325 bar=760

mm Hg

51

Barometer

h

A

A

F

P



mg

F





V

m



hA

V





hA





ghA





gh



Poznámka: Tlak

meraný

barometrom je

nezávislý od

plochy prierezu

52

Barometer

 P=gh
 Pre daný barometer sú hustota a

gravitačné zrýchlenie konštantné

 Tlak je priamo úmerný výške
 Tlak sa môže merať aj v mm Hg
 1 atm = 760 mmHg

53

Manometer

 Používa sa na porovnávanie tlakov

plyn

Atmospherický tlak

1

P

gh

P

P

atm







1

gh

P

P

P

atm











1

54

Nultý zákon termodynamiky

 Ak sú dve telesá v rovnováhe s tretím

telesom, potom sú v rovnováhe medzi
sebou

 Základ merania teploty

55

Teplota

 Miera obsahu energie na jednotku látky
 Meria sa pomocou:

teplomerov,termočlánkov,pyrometrov
atď.

 Jednotky: şC, K
 K = 273 + şC

56

Teplo

Teplo je forma

energie.

Teplo nie je

teplota. Sústavy

neobsahujú teplo,

majú tepelnú

energiu.

Jednotkou tepla je

(J, kJ)

57

PRÁCA

 Sústava koná prácu ak pôsobí sila po

dráhe

 Jednotkou práce je Joul
 Objemová práca w = pV
 Práca nie je termodynamická funkcia!

58

59

Vratný a nevratný proces

 Vratný (reverzibilný) – malou zmenou

vlastnosti sa sústava vráti do
pôvodného stavu- sústava prechádza
sériou rovnovážnych stavov

 Nevratný (ireverzibilný)- prebieha iba v

jednom smere

60

Termodynamická funkcia

 Zmena nezávisí od spôsobu (cesty)
realizácie procesu ale len od

začiatočného a konečného stavu

 Má úplný diferenciál
 Kruhový integrál diferenciálu =0

61

Zhrnutie :

 Termodynamický (makroskopický) stav
 Definovaný termodynamickými

veličinami

 Počet termodynamických veličín na

definíciu termodynamického stavu
vyplýva z Gibbsovho zákona fáz

 Termodynamické veličiny: P,T,V...