Kinetyczna teoria gazów Termodynamika Kinetyczna teoria gazów

TERMODYNAMIKA Dział fizyki zajmujący się badaniem energetycznych efektów wszelkich przemian fizycznych i chemicznych, które wpływają na zmiany energii wewnętrznej analizowanych układów. Wbrew rozpowszechnionym sądom termodynamika nie zajmuje się wyłącznie przemianami cieplnymi, lecz także efektami energetycznymi reakcji chemicznych, przemian z udziałem jonów, przemianami fazowymi, a nawet przemianami jądrowymi.

Gaz doskonały Składa się z cząsteczek, które można uważać za punkty materialne. rozmiary cząsteczek, w tym objętość, są pomijalnie małe Cząsteczki poruszają się chaotycznie i podlegają prawom dynamiki Newtona. poza momentami zderzenia na cząsteczki nie działają siły zderzenia są doskonale sprężyste Całkowita liczba cząsteczek jest bardzo duża. zderzenia nie zmieniają ogólnego rozkładu prędkości cząsteczek brak jest wyróżnionego kierunku – wektor średniej prędkości cząsteczek jest równy zero

PODSTAWOWY WZÓR KINETYCZNEJ TEORII GAZÓW - średnia energia kinetyczna cząsteczki gazu Ekwipartycja energii : średnia energia kinetyczna na każdy stopień swobody jest taka sama dla wszystkich cząsteczek. i – ilość stopni swobody

Energia wewnętrzna gazu doskonałego Dla gazu jednoatomowego:   Energia wewnętrzna gazu doskonałego zależy wyłącznie od jego temperatury

Gaz taki w mechanice klasycznej opisuje równanie Clapeyrona (równanie stanu gazu doskonałego), przedstawiające zależność między ciśnieniem gazu (p), jego objętością (V), temperaturą (T) i licznością (n) wyrażoną w molach: pV=nRT gdzie R jest stałą gazowa   lub pV=NkT gdzie k jest stałą Boltzmana    

Gaz doskonały to model, słuszny w pełni jedynie dla bardzo rozrzedzonych gazów (wzrost ciśnienia powoduje, że zmniejszają się odległości między cząsteczkami, co trzeba uwzględnić, oraz powoduje wzrost przyciągania cząsteczek), w niezbyt niskich (zaczyna dominować przyciąganie cząsteczek), ani zbyt wysokich temperaturach (zderzenia przestają być sprężyste), jednak może być stosowany w praktyce do niemalże wszystkich gazów w warunkach normalnych. Dla gazów rzeczywistych przy dużych gęstościach i ciśnieniach niezbędne jest stosowanie równań uwzględniających w/w pominięte efekty.

Hel - przykład cząsteczki jednoatomowej Tlen - przykład cząsteczki dwuatomowej Metan – przykład cząsteczki wieloatomowej.

Pierwsza zasada termodynamiki Energia wewnętrzna układu izolowanego nie zmienia się, niezależnie od przemian zachodzących w tym układzie. Zmiana energii wewnętrznej układu jest równa sumie pracy wykonanej przez układ bądź nad układem i ciepła dostarczonego lub oddanego przez układ. DU = W + Q

I zasada termodynamiki Pierwsza zasada termodynamiki to prosta zasada zachowania energii, czyli ogólna reguła głosząca, że energia w żadnym procesie nie może pojawić się "znikąd". ΔU = Q + W Gdzie: ΔU - zmiana energii wewnętrznej układu; Q - ciepło wymienione przez układ z otoczeniem, Q>0 – ciepło jest dostarczane z zewnątrz, gaz pobiera ciepło Q<0 - gaz oddaje ciepło do otoczenia W < 0- praca wykonana przez układ (gaz), rozprężanie gazu, objętość maleje W>0 praca wykonana przez czynnik zewnętrzny, sprężanie gazu, objętość gazu maleje

PRACA W PRZEMIANACH GAZOWYCH Praca wykonana w przemianach gazowych liczbowo odpowiada polu zawartemu pod wykresem przemiany w układzie współrzędnych p(V)

PRZEMIANY GAZU DOSKONAŁEGO Przemiana izotermiczna T=const Przemiana izobaryczna p=const Przemiana izochoryczna V=const Przemiana adiabatyczna Q=0

Przemiana izotermiczna T = const U = 0 Q+W = 0 p1, V1 p2, V2  

Zachodzi, gdy objętość gazu nie ulega zmianie (stała objętość naczynia) a ciśnienie i temperatura gazu zmieniają się wprost proporcjonalnie do siebie.       Równanie przemiany izochorycznej (prawo Charlesa) ma postać: czyli

Przemiana izochoryczna V = const W = 0 p1, T1 p2, T2

PRZEMIANA IZOBARYCZNA Zachodzi, gdy ciśnienie gazu nie ulega zmianie (jest stałe). Objętość i temperatura gazu w tej przemianie zmieniają się wprost proporcjonalnie do siebie. Ta przemiana gazu nastąpi, gdy otrzyma on ciepło z zewnątrz (gaz ogrzeje się i wykona pracę przesuwając tłok w stronę rosnącej objętości) lub gdy gaz oddaje ciepło na zewnątrz (siły zewnętrzne wykonują pracę w celu zmniejszenia objętości oraz wyrównania ciśnienia i równocześnie nastąpi oziębienie gazu).

Przemiana izobaryczna p = const T1, V1 T2, V2

Ciepło właściwe i ciepło molowe Ilość ciepła ΔQ pobrana przez ciało w procesie ogrzewania ΔQ=mcΔT c – ciepło właściwe m = n M M – masa molowa ΔQ=nMcΔT Mc = C – ciepło molowe ΔQ=nCΔT