E a

CIEPŁO ZNANE CZY
NIEZNANE ?
prof. dr hab. Małgorzata Jóźwiak
1
Temperatura
2
Temperatura jest wielkością
charakteryzującą stopień
nagrzania danego ciała.
3
Temperaturę ciała można określić jako wielkość
proporcjonalną do średniej energii kinetycznej
bezładnego ruchu jego cząsteczek.
T ≈ Ekin
Im bardziej dziki i nieopanowany ruch wykonują
atomy tym wyższa temperatura.
4
Najbardziej rozpowszechnione skale temperatur:
Celsjusza
Fahrenheita
Kelwina
5
Jako podstawę dla skali Celsjusza przyjęto
przejścia fazowe wody tzn.
topnienie lodu:
ciało stałe
ciecz 0oC
wrzenie wody:
ciecz
para 100oC
6
Gdańszczanin Fahrenheit przyjął trzy punkty
termometryczne:
Temperaturę mieszaniny wody, lodu i chlorku amonu 0o
Temperaturę mieszaniny wody i lodu 32o
Temperaturę ciała ludzkiego 96o
7
°C
40
°F
100
30
80
20
60
10
40
0
20
-10
-20
-30
-40
0
-20
-40
8
Termodynamiczna skala temperatur
v
niskie ciśnienie
wysokie ciśnienie
-273,15
0
0
273,15
t [oC]
T [K]
9
t = [oC]
t = [oF]
T = [K]
T = [oK]
10
1oC = 1 K = 1 deg
tc = [T – 273,15]oC
5
tc = 9 (tF – 32)oC
11
T(K) = t(oC) + 273,15
np. 25oC
T(K) = 25 + 273,15 = 298,15 K
12
-273,15
0
topnienie lodu:
0oC
32oF
273,15 K
wrzenie wody:
100oC
212oF
373,15 K
Skala Celsjusza
Skala Kelvina
Skala Fahrenheita
-17,78
0 37,77
255,37 273,15 310,92
0
32
100
373,15
100
212
13
ENERGIA
14
ENERGIA JEST ZDOLNOŚCIĄ DO
WYKONYWANIA PRACY
Zasada zachowania energii
Energia nie może być stworzona ani nie
może ulec zniszczeniu. Energia może być
jedynie przekazywana od układu do
otoczenia i odwrotnie.
15
Rodzaje energii
Energia kinetyczna ciała jest energią, jaką ciało to ma
w wyniku swego ruchu
Ekin
mυ 2 3
=
= RT
2
2
Energia potencjalna ciała jest energią wynikającą
z położenia tego ciała
Epot = mgh
m – masa ciała
g – przyspieszenie ziemskie (9,81 m·s-2)
h – wysokość na jakiej znajduje się ciało
υ – prędkość poruszania się ciała
16
Epot = mgh
Ekin
mυ 2
=
2
υ=0
q
Ekin
q
Tw
Tk
17
Epot = mgh
Ekin
mυ 2
=
2
q
Konwersja energii jest to przemiana
jednej energii w drugą.
Wymiana energii jest to przekazywanie
energii od jednego ciała do drugiego (od
układu do otoczenia lub odwrotnie).
18
Układ jako całość
Epot
Ekin
Einne
Epot
Ekin
Einne
Epot
Ekin
U
Epot
Ekin
Einne
E = Epot + Ekin + U
U = Etrans + Erot + Eosc + Eel + Em + Ej + Ex
19
U = Etrans + Erot + Eosc + Eel + Em + Ej + Ex
inne
translacji
rotacji
energia kinetyczna
oscylacji
oddziaływań
międzycząstecz-kowych
jądrowa
stanów
elektronowych
energia potencjalna
20
Energia translacji
21
Energia rotacji
22
Energia oscylacji
23
UKŁADY
24
Układem otwartym jest układ, który może wymieniać
materię i energię z otoczeniem.
25
Układem zamkniętym jest układ, który nie może
wymieniać materii z otoczeniem.
26
Układem izolowanym jest układ, który nie może
wymieniać ani materii, ani energii z otoczeniem.
27
Układ odizolowany termicznie od otoczenia nazywa się
układem adiabatycznym. W układzie tym brak jest
wymiany ciepła z otoczeniem.
Greckie słowo adiabatos oznacza „nie do przebycia”.
28
CIEPŁO
(q)
29
30
31
WNIOSKI
•
Źródło ciepła wytwarzanego za pomocą tarcia wydaje
się być niewyczerpalne, zatem nie może być
substancją materialną.
•
Praca mechaniczna wykonana na układzie wywołuje
taką samą zmianę stanu układu (woda zagotowała
się), jak dostarczone mu ciepło.
32
Co to jest ciepło ?
Ciepło (q) jest energią przypadkowego ruchu cząsteczek
i jest najbardziej niezorganizowaną formą energii.
Ciepło (q) jest to transfer energii w wyniku bezładnego
ruchu, wynikający z różnicy temperatur układu
i otoczenia.
33
JEDNOSTKI
Kaloria (cal) była stosowana do pomiaru ciepła.
Jest to ilość ciepła, która dostarczona do jednego grama wody
podnosi jej temperaturę z 14,5oC do 15,5oC.
Dżul (J) był stosowany do pomiaru energii.
Dżul to energia równa pracy wykonanej przez siłę 1 N
w kierunku jej działania, na drodze o długości 1 m (N·m).
34
Zgodnie z Międzynarodowym Układem Jednostek Miar SI, który
obowiązuje od 1.01.1980 roku
Dżul (J) stosowany jest do pomiaru energii
czyli ciepła i pracy.
1 cal = 4,1868 J
SI – Le Système International d’Unités
35
Jednostką energii spoza układu SI przyjętą za legalną jest
1 eV
energia kinetyczna elektronu przyspieszanego przez różnicę
potencjałów 1 V.
1 eV = 1,6·10-19 J
36
1J
1J
Na każde uderzenie serca zużywamy około 1 J.
37
5 eV
+
Na
Aby usunąć elektron walencyjny z atomu sodu, potrzebna jest
38
energia około 5 eV = 8.10-19 J.
Sposoby przenoszenia ciepła
39
Sposoby przenoszenia ciepła:
•Ciepło przenosi się przez przewodzenie
•Ciepło pokonuje przestrzeń pod postacią promieniowania
•Ciepło przenosi się przez konwekcję czyli unoszenie
40
Ciepło przenosi się przez przewodzenie.
41
Ciepło może też pokonywać przestrzeń pod postacią
42
promieniowania.
W gazach i w cieczach przenoszenie ciepła odbywa się
43
głównie przez konwekcję, czyli unoszenie.
Ciepło czyli energia uwolniona na skutek wybuchu bomby
jądrowej przenosi się poprzez konwekcję – czyli unoszenie
44
oraz przez promieniowanie.
JAKIE SĄ SKUTKI DOSTARCZENIA
CIEPŁA DO CIAŁA ?
45
Gdy przekazujemy ciepło do
jakiegoś ciała zwykle wzrasta
temperatura, ale nie zawsze.
46
0oC
Dostarczane ciepło zużywane jest na stopienie lodu. 47
100oC
25oC
Dostarczane ciepło zużywane jest na odparowanie wody.
48
Ciepło służy do zmiany stanu skupienia czyli
wywołuje przejścia fazowe:
ciało stałe → ciecz
(przekształcenie lodu w wodę)
ciecz → gaz
(przekształcenie wody w parę)
innego rodzaju przejścia fazowe
49
Rozszerzalność objętościowa
50
25oC
1 mol wody
0,0180 l
1 mol pary wodnej
24,45 l
80oC
1 mol wody
0,0185 l
1 mol pary wodnej
28,96 l
51
Rozszerzalność liniowa
52
Dlaczego tak się dzieje?
T ≈ Ekin
Ekin =
m·v2
2
3
·R·T
=
2
v≈T
53
54
T2 >> T1
T1
T1
T2
55
ciało stałe
ciecz
gaz
56
25oC
57
Pomocy !!!!
Różne ciała mają różną zdolność przewodzenia ciepła58
Ciała, które słabo przewodzą ciepło
są izolatorami cieplnymi,
np. drewno, styropian, bawełna.
59
60
100oC
1 kg
100oC
1 kg
Różne ciała pochłaniają różne ilości ciepła aby osiągnąć taką
samą temperaturę.
61
Każde ciało charakteryzuje się inną
zdolnością pochłaniania ciepła (energii)
i zdolność tą nazywamy ciepłem właściwym Cwł.
Ciepło właściwe jest to ilość ciepła (energii)
jaką należy dostarczyć do 1 kg danego ciała aby
podnieść jego temperaturę o 1 deg.
62
układ
-q
otoczenie
q
Reakcje chemiczne w wyniku, których układ oddaje ciepło
do otoczenia nazywamy reakcjami egzotermicznymi.
63
układ
q
otoczenie
-q
Reakcje chemiczne w wyniku, których układ pobiera ciepło
od otoczenia nazywamy reakcjami endotermicznymi.
64
65
PROCES ROZPUSZCZANIA
1. Zerwanie siatki krystalicznej soli (oddzielenie
poszczególnych jonów np. Na+ Cl- lub cząsteczek np.
sacharozy pod wpływem rozpuszczalnika).
2. Solwatacja (hydratacja) jonów.
66
Na+
67
Cl-
68
Entalpia rozpuszczania ∆sHo
1. Zerwanie siatki krystalicznej soli (oddzielenie
poszczególnych jonów np. Na+ Cl- lub cząsteczek np.
sacharozy pod wpływem rozpuszczalnika).
Proces endotermiczny
2. Solwatacja (hydratacja) jonów (cząsteczek).
Proces egzotermiczny
proc. endoter. > proc. egzoter.
proces
rozpuszczania
endotermiczny
proc. endoter. < proc. egzoter.
proces
rozpuszczania
egzotermiczny
69
Reakcje chemiczne
70
Co się dzieje z poszczególnymi rodzajami
energii podczas przebiegu reakcji chemicznej?
U = Etrans + Erot + Eosc + Eel + Em + Ej + Ex
Ekin
wymieniana na
sposób ciepła
lub/ i pracy
Ewiązań
Einne
nie ulega zmianie podczas
wymiany z otoczeniem ani
podczas reakcji chemicznej
71
Podczas przemiany chemicznej następuje zmiana rodzaju
wiązań, zrywane zostają wiązania w cząsteczce
substratów i pojawiają się nowe wiązania w cząsteczce
produktów; następuje więc zmiana energii potencjalnej.
Różnica energii między energią wiązań substratów
i energią wiązań produktów (różnica energii potencjalnej
spowodowana zmianą położenia i rodzaju wiązań w nowej
cząsteczce) konwertowana jest w energię kinetyczną
drobin a ta z kolei może być wymieniana z otoczeniem.
72
(Ewiązań)prod > (Ewiązań)substr
od otoczenia
Ekin
Ewiązań
reakcja endoenergetyczna
73
E
produkty
substraty
droga reakcji
reakcja endoenergetyczna
74
(Ewiązań)prod < (Ewiązań)substr
Ewiązań
Ekin
do otoczenia
reakcja egzoenergetyczna
75
E
substraty
produkty
droga reakcji
reakcja egzoenergetyczna
76
TERMOCHEMIA
77
H
produkty
∆rH > 0
substraty
droga reakcji
∆rHo > 0 układ pobrał energię od otoczenia w postaci
ciepła (zyskał energię), reakcja endotermiczna
78
H
substraty
∆rH < 0
produkty
droga reakcji
∆rHo < 0 układ oddał energię w postaci ciepła do
otoczenia (stracił energię), reakcja egzotermiczna
79
parowanie
wrzenie
80
Parowanie jest to proces odrywania się cząsteczek od
powierzchni cieczy.
Dla wody parowanie zachodzi w temperaturze t > 0oC
przy ciśnieniu 1 atm.
Wrzenie jest to proces wyrywania się cząsteczek z całej
objętości cieczy.
Dla wody wrzenie zachodzi w temperaturze t = 100oC
przy ciśnieniu 1 atm.
81
NaCl
0oC
Rozpuszczenie soli kuchennej
w wodzie powoduje obniżenie
temperatury krzepnięcia
mieszaniny
woda + sól.
82
Dlaczego zachodzą reakcje
chemiczne?
Wpływ temperatury na szybkość reakcji
chemicznych
83
84
Energia aktywacji Ea jest to energia
niezbędna do rozerwania wiązań
i zapoczątkowania reakcji chemicznej
T1
T2 >> T1
85
E
Ea
substraty
Podczas zderzenia cząsteczki posiadają
mniejszą energię kinetyczną od energii
aktywacji wobec tego reakcja nie zajdzie.
86
bariera energetyczna
E
Ea
substraty
Zderzenie efektywne jest to
zderzenie dwóch cząsteczek
posiadających energię
aktywacji.
Na skutek zderzenia
aktywnego powstaje produkt.
produkty
87
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ
88