za Osijek, 2004. J.Brnjas-Kraljević Termodinamika za Osijek, 2004. J.Brnjas-Kraljević

Rječnik pojmova sistem konačan zamišljene granice konačna okolina stvarne granice sistem konačan zamišljene granice konačna okolina beskonačna intenzivni  f(dimenzije sistema) T,r,c, parametri ekstenzivni = f(dimenzije sistema) m,V,E,

funkcija stanja sistema – ovisi samo o funkcijama početnog i konačnog stanja procesna funkcija – ovisi o načinu procesa Odnos sistema i okoline: izolirani - Dm = 0 DE = 0 sistem zatvoreni - Dm = 0 DE = 0 otvoreni - Dm = 0 DE = 0

termodinamička ravnoteža - za izolirani sistem – intenzivne veličine sistema nepromjenljive u vremenu, a postoji interakcija unutar sistema stacionarno stanje – za zatvoreni i otvoreni sistem - odvija se interakcija s okolinom ali se ne mijenjaju termodinamički parametri reverzibilni – ne kraju procesa nema promjene procesi stanja sistema niti okoline ireverzibilni – dobro definirani smjer procesa

Unutarnja energija, toplina i temperatura Uslijed gibanja, položaja prema drugim česticama i međudjelovanja s drugim česticama čestice sustava imaju neku energiju. Zbroj svih energija čestica (kinetičkih i potencijalnih) u sustavu naziva se unutarnja energija. Energiju je nemoguće ustanoviti, nego samo njenu promjenu. Do promjene dolazi ako zatvoren sustav razmjenjuje s okolinom bilo energiju ili rad. Što ako sustav ne razmjenjuje rad?

ISTRAŽIVANJA POKAZUJU DA JE ZA TOPLINSKE POJAVE OSIM TOPLINE VAŽNA VELIČINA KOJA OPISUJE STUPANJ TOPLINSKOG STANJA; TEMPERATURA Promatramo li kinetičku energiju idealnog plina u kockastom tijelu: Čestice uslijed gibanja tlače stijenku tlakom p, te je sila na stijenku: Znači rad te sile je: Zbog nasumičnog rasporeda čestica jasno je da rad koji obavljaju čestice u smjeru svake koordinatne osi potječe od trećine ukupne kinetičke energije, pa je: Plinski zakon, koji je izveden u drugom području fizike kaže: Konačno se vidi da je temperatura jedina mjera kinetičke energije čestica:

Energija je osnovna veličina u termodinamici – pretvorba energije sistem ima unutrašnju energiju – dva tijela jednake temperature ne moraju imati jednake U – zbog doprinosa energija kemijskih veza U se mijenja procesima – to promatra termodinamika na makroskopskoj skali termodinamika izuzima toplinu od svih drugih energija toplina je energija u prijelazu između sistema jer su različitih temperatura

Što je jednako a što različito za 1 gram vode na 00C i 1 g bakra na 00C ? jednaka temperatura - jednaka prosječna kinetička energija molekula nisu jednake unutarnje energije nisu jednaki toplinski kapaciteti c (vode) = 4186 J/kg K c (bakra) = 386 J/kg K Zašto? unutarnja energija = translacijska kinetička energija + vibracijska i rotacijska kinetička energija + potencijalna energija od intermolekularnih sila

Sadržaj unutarnje energije molekularni plin tekućina ili čvrstina monoatomni plin ovaj doprinos jako varira za različite tvari jako velik za vodu translacijska kinetička energija energija rotacija i vibracija potencijalna energija intermolekularnih sila

Termodinamički zakoni nulti - ako su sistemi A i B svaki za sebe u termičkoj ravnoteži sa sistemom C onda su i međusobno u ravnoteži (omogućuje mjerenje T sistema) T(A) = T(C) i T(B) = T(C) onda je T(A) = T(B) treći - sistem ne može poprimiti temperaturu 0 K u konačnom broju procesa. I na najnižim temperaturama postoje gibanja atoma, dakle ne može se doseći stanje u kojem su sva gibanja zamrznuta.

Termodinamički zakoni prvi - Mayer 1842 i Youle 1843 - princip očuvanja energije: energija se niti stvara niti troši; ona se stalno pretvara drugi - D Ssvemira > 0 – entropija Svemira stalno raste - spontani su procesi koji povećavaju entropiju. - entropija određuje smjer spontanih interakcija - određuje prije i nakon - vezana je s toplinom i zato je toplina posebna energija D U = Q + W D S = Q / T

Mehaničke interakcije to su sva ona djelovanja vanjskih sila na sistem koja uzrokuju promjenu unutrašnje energije – različite deformacije u mehanici definicija rada: djelovanje sile na putu pomaka težišta - veličina rada između A i B ovisi o putu - to je procesna veličina za konstantnu silu F0 koja djeluje paralelno putu W = F0 s F0 a ds A B

Mehaničke interakcije promjena unutrašnje energije zbog volumnog rada

Toplinske interakcije promjene stanja sistema zbog razlike temperatura toplina uvijek mijenja unutrašnju energiju a može još i volumen sistema Q = D U Q = D U + p DV = DH H je entalpija sistema Q Q T T0 > T temperatura okoline tijela T

TOPLINSKO RASTEZANJE TVARI Promjenom temperature svim se tijelima mijenja obujam, ovisno o tvari. Primjer štapa. Ako se povišenjem temperature Δt duljina štapa poveća za Δl, ukupna duljina štapa je Rastezanje štapa će ovisiti o početnoj duljini i promjeni teperature, uz konstantu proporcionalnosti α, koji se naziva toplinska rastezljivost, te je:

Posljedice toplinske interakcije 1. promjena temperature sistema: Q = m c DT c – specifični toplinski kapacitet tvari – energija potrebna da se temperature sistema mase od 1 kg promijeni za 1 stupanj 2. promjena agregatnog stanja: Q = DH = Dm Lp,T Lp,T- latentna toplina prijelaza – energija potrebna da masa 1 kg promijeni fazu pri stalnom tlaku i na stalnoj temperaturi 3. kemijske reakcije – egzogene i endogene – toplina se oslobađa iz sistema ili ulazi u sistem ovisno o energiji stanja sudionika u reakciji

PRIMJER TOPLINE POTREBNE ZA PRETVORBU LEDA U VODU I PARU

Transporti energije i tvari

Transportne pojave Prijenos energije Prijenos energije i mase Prijenos mase Toplinske interakcije Mehaničke interakcije Difuzija zbog T≠T0; DT = T-T0 zbog p≠p0; Dp = p-p0 zbog c≠c0; Dc = c-c0 Kondukcija spontani prijenos transport kroz konduktor Konvekcija kroz propusnu membranu transport fluidom Isparavanje kroz polupropusnu membranu Toplinsko zračenje

Prijenos energije zbog T ≠ T0 a) Kondukcija vođenje topline konduktorom ili direktnim kontaktom – metali dobri konduktori snaga kondukcije za stacionarnu kondukciju- konstantan gradijent temperature kcd (Cu)=382 W/Km kcd (koža)=0,015 W/Km T0 T A gradijent temperature Dx

b) Konvekcija vođenje topline prirodnim gibanjem fluida zbog gravitacijske sile pretpostavka da nema mirnog sloja fluida uz tijelo - prisilna konvekcija koeficijent konvekcije ovisi o oba sistema snaga konvekcije kcv (tijelo) = 7 W/m2K kad je v=0 kcv = f(v) T0 T

Utjecaj vjetra na osjet topline Stvarna temperatura / °C 30 20 10 -10 -20 -30 v / ms-1 Temperatura osjeta zbog utjecaja vjetra / °C 2 5 29 17 - 7 -19 -31 -43 15 1 -13 -27 -40 -54 14 -1 -16 -45 -60 28 13 -2 -17 -32 -48 -63

d) toplinsko zračenje – Stefan-Boltzmanov zakon c) Isparavanje – promjena faze – velika latentna toplina isparavanja vode – snaga d) toplinsko zračenje – Stefan-Boltzmanov zakon L (znoj) = 2,4 x 106 J/kg T0 T T e ( koža) = 0,98

Prijenos topline u ljudskom organizmu izmjena topline - suprotnim protokom ohlađena krv u ekstremitetima – manji gubitak energije sistema ugrijana krv prema srcu – manji napor srca raspodjela temperature u biosistemu u toploj i hladnoj okolini

Prijenos čestica zbog c1≠ c2 a) difuzija – spontani prijenos - zbog gradijenta koncentracije - za stacionarnu difuziju - I. Fickov zakon Dn2 Dn1 A Dx c2 c1 gradijent koncentracije se ne mijenja – aktivni procesi Dn1 > Dn2 konačni tok prema manjoj koncentraciji tok čestica / mol L-1 koeficijent difuzije za male sferne molekule

Difuzija u čvrstom stanju difuzija atoma kroz kristalnu rešetku – nestacionarna difuzija – homogena koncentracija – II. Fickov zakon za izotropna tijela jedna difuzijska konstanta – anizotropna tijela u svakom smjeru drugačija konstanta difuzije je funkcija temperature i koncentracije defekata intersticijski atom mehanizmi za seoba praznina supstitucijski atom intersticijska mjesta grupe atoma

Difuzija čestica kroz propusnu membranu dva homogena dijela različitih koncentracija odijeljena su membranom topive su u membrani - slobodno čestice prolaze kroz membranu difundiraju nisu topive - prolaze porama c1 c2 l c1 C1, c2 C2,

Biološke membrane – polupropusne Osmoza membrana ne propušta otopljene čestice propušta otapalo – difuzija otapala u područje veće koncentracije otopljene tvari izjednačenje parcijalnih tlakova otapala – ravnotežni tok kroz membranu različiti hidrostatički tlakovi – iznos osmotskog tlaka jednak razlici osmotski tlak – tlak na membranu kojim se sprečava protok otapala p = Dp = c R T Dp=p c1 c2

Prijenos nabijenih čestica – selektivna membrana membrana propusna za pozitivne ione dva područja – različitih koncentracija – oba neutralna zbog koncentracijskog gradijenta – protok + iona – inducira električno polje u membrani – napon preko membrane – brzina protoka opada – ravnotežni protok – izjednačeni protoci uzrokovani koncentracijskom razlikom i naponom preko membrane ravnoteža – izjednačenje kemijskih potencijala t = 0 ravnoteža c1 + + - - - + - + + - + - + - + + + - + + - - - + - - - + + - - - - + c2 + - + - + + - + - + + - + - - + - + + + - - + + + - + - - + - + - - + -