Univerzitet u Nišu Fakultet zaštite na radu u Nišu Osnovne akademske studije Predmet: Hemijski parametri radne i životne sredine
SEMINARSKI RAD
Tema: Osnovni pojmovi termodinamike
Mentor:
Student:
Niš, 2016 Sadržaj Uvod!
1 "ermodinamika# 11 $akoni termodinamike% 2 "ermodinami&ki sistem6 ! "ermodinami&ka svojstva' # "ermodinami&ko stanje sistema i termodinami&ki parametri stanja( #1 "ermodinami&ke )unk*ije stanja sistema10 #2 Unutrašnja ener+ija sistema11 % "ermodinami&ka ravnoteža12 6 "ermodinami&ki pro*esi1! 61 -o.orski pro*es1% 62 -o/arski pro*es1% 6! -otermski pro*es1 6# dija/atski pro*es1' 6% ad i top3ota1( $ak3ju&ak21 4iteratura22
Uvod
Osamnaesti vek o/e3ežen je ve3ikom industrijskom revo3u*ijom "e.ni&kim prona3as*ima omo+u5en je pre3a- sa pretežno ru&no+ rada na rad sa mašinama, te je najav3jeno industrijsko do/a o to+ vremena proi-vodnja se teme3ji3a na radnim mašinama koje su pokreta3i pomo5u ener+ije &oveka, životinja, vetra i vode 7odine 112 /ritanski kova& ".omas Ne8*omen napravio je prvu parnu mašinu koja je uš3a u upotre/u Mašina se koristi3a -a *rp3jenje vode i- rudarsko+ okna, a mo+3a je -ameniti u&inak od %0 konja ako je mašina ima3a navedene prednosti, stepen korisnosti joj je /io veoma s3a/ 9 oko po3a posto anas parne tur/ine termoe3ektrana imaju stotinak puta ve5i stepen korisnosti e3iko otkri5e /i3a je parna mašina koju je 16( +odine konstruisao Ne8*omenov saradnik ;ames
73avna prednost /i3a je u *i3indru mašine Stepen korisnosti se po/o3jšao na oko !9# posto U/r-o su us3edi3a i dru+a otkri5a "ako je 1'0 +odine o/ert ?u3ton sa+radio prvi komer*ija3no iskoristiv paro/rod, koji je p3ovio na re3a*iji Ne8 @ork A 3a/anB, a 1'1# +odine 7eor+e Step.enson je konstruisao prvu parnu 3okomotivu Novi i-umi su veoma uti*a3i na poje)tinjenje prometa Ce3e-ni*e i paro/rodi potisnu3i su poštanske ko&ije i jedrenjake oš3o je do ve3iki. promena u društvenom životu Na koji na&in top3ina vatre daje sna+u vodenoj pariD Eta je vatraD Eta je top3inaD $ašto top3ina uvek pre3a-i sa top3ije+ na .3adnije te3oD $ašto se p3inovi +rejanjem šireD Ova i dru+a s3i&na pitanja traži3a su od+ovor, a od+ovore je da3a termodinamika
!
1. Terodinaika
"ermodinamika = grč thermos A topao, vru5, vreoF dynamis A si3a, sna+a, ja&ina> je nau&na dis*ip3ina koja prou&ava ener+etske promene koje prate univer-a3ne pro*ese u prirodi, kao i ve-u ti. promena sa oso/inama materije koja u&estvuje u njima Sa-nanja koja uka-uju da sistemi u prirodi poseduju ener+iju, koja se na ra-3i&ite na&ine ispo3java us3ed prenošenja sa jedno+ sistema na dru+i, -natno doprinose ra-voju termodinamike Pored mno+i. dru+i., u toku da3je+ ra-voja ove dis*ip3ine, njen važniji -adatak /io je na3aženje odnosa u kojima se pojedini vidovi ener+ije mo+u pretvarati u dru+e Gner+ija predstav3ja sposo/nost neko+ te3a i3i sistema da vrši rad Ona predstav3ja svojstvo materije i mani)estuje se preko mikroskopski. i makroskopski. promena stanja radne materije Svaki vid ener+ije =kineti&ka, poten*ija3na, .emijska, termi&ka> mo+u5e je potpuno pretvoriti u top3otu, a3i top3otu je nemo+u5e kvantitativno pretvoriti u me.ani&ki rad 9 9 9 9 9
storijski ra-voj termodinamike: termin termodinamika A "omson =< ".omson, 1'2#91(0>F ispitivanje rada top3otni. mašina A Iarno =S Jarnot, 1(691'!2>F ener+etska priroda top3ote A Majer i žu3 = MaBer, 1'1#91'', i ; ;ou3, 1'1'91'((>F primena termodinamike na .emijske pro*ese A 7i/s =; < 7i//s, 1'!(91(0!>F primena termodinamike na )i-i&ke pro*ese A krajem KK veka I3asi&nu termodinamiku mo+u5e je pode3iti na s3ede5e +rane: 9 Opšta termodinamika prou&ava pretvaranje ener+ije u ra-3i&ite o/3ike, uk3ju&uju5i e3ektri&ne, ma+netne, površinske i dru+e pojave koje se jav3jaju u &vrstim, te&nim, +asovitim te3imaF 9 Tehnička termodinamika prou&ava pretvaranje top3ote u rad i o/rnuto Pri tome se uspostav3jaju ve-e i-meLu termi&ki., me.ani&ki., .emijski. pro*esa, koje se odi+ravaju u termi&kim mašinama sa *i3jem da se odredi termi&ki stepen iskoriš5enja ener+ije u tim mašinamaF 9 Hemijska termodinamika prou&ava primenu termodinami&ki. prin*ipa na .emijske i )i-i&ko9.emijske pojave i stanja )a-ne i .emijske ravnoteže uk3ju&uju5i u ta i-u&avanja i uti*aj spo3jašnji. )aktora na stanje ravnoteže
9 9 9 9 9 9
"ermodinamika je komp3eksna i s3ožena dis*ip3ina i- &ije je *e3ine veoma teško i-u-imati pojedine pojmove MeLutim, -a uspešno pra5enje ni-a pojava u termodinami*i vr3o je /itno upo-nati i jedno-na&no de)inisati neke njene osnovne pojmove i ve3i&ine Prema tome, osnovni pojmovi u termodinami*i su: termodinami&ki sistemF termodinami&ka svojstva i3i promen3jiveF termodinami&ko stanje sistemaF termodinami&ki parametri stanjaF termodinami&ka ravnotežaF termodinami&ki pro*es #
1.1. !akoni terodinaike
Iako se *e3a nauka o termodinami*i, pa tako i prou&avanje osnovni. pojmova termodinamike, -asniva na -akonima termodinamike, neop.odno i. je pomenuti i de)inisati Oni su )ormu3isani kro- istraživa&ki rad i po-nati su kao nu3ti, prvi, dru+i i tre5i -akon termodinamike Svi termodinami&ki -akoni su i-vedeni i- eksperimenta3ni. -ak3ju&aka i opažanja, i svaki od nji. predstav3ja pose/no eksperimenta3no istraživanje Nulti zakon terodinaike tvrdi da je termodinami&ka ravnoteža re3a*ija ekviva3en*ije
va sistema 5e /iti u termi&koj ravnoteži ako su u termi&koj ravnoteži sa tre5im sistemom Nu3ti -akon termodinamike uvodi u ra-matranje temperaturu ko dva te3a imaju istu temperaturu sa tre5im te3om, onda su ona u termi&koj ravnoteži odnosi se na o&uvanje ener+ije Prvim -akonom termodinamike se o/jašnjava kon*ept unutrašnje ener+ije -atvoreno+ sistema, odnosno kon*ept enta3pije otvoreno+ sistema, i nji.ove promene pove-uje sa ener+etskom interak*ijom sistema i nje+ove oko3ine Na taj na&in se i- -akona održanja i pretvaranja ener+ije utvrLuju odnosi ener+ije prisutni u sistemu, i3i na nje+ovoj +rani*i, tokom termodinami&ki. pro*esa ak3e, ovaj -akon se /avi ko3i&inom rada koji se može do/iti i3i i-vršiti pri )i-i&kom i3i .emijskom pro*esu, kao i ko3i&inom top3ote koja se pri tome os3o/odi i3i apsor/uje Prvi -akon termodinamike, odnosno $akon o o&uvanju ener+ije +3asi: "rvi zakon terodinaike
Gner+ija se ne može stvoriti ni i- &e+a, niti se može uništiti, jedino se jedan o/3ik ener+ije može pretvoriti u dru+i o/3ik H.Hemholtz
3ternativna )ormu3a*ija ovo+ -akona +3asi: nemo+u5e je napraviti mašinu =perpetuum mo/i3e> koja /i stvara3a ener+iju ni i- &e+a $akon o&uvanja ener+ije mo+u5e je u termodinami*i -apisati u o/3iku re3a*ije:
U < ,
=1>
+de je: 9 9 ener+ija trans)erovana sistemu putem top3oteF 9 < 9 rad koji je sistem i-vršio na spo3jašnjoj srediniF 9 U U2 A U19promena unutrašnje ener+ije sistema Dru#i zakon terodinaike utvrLuje
us3ove, mo+u5nosti i smer termodinami&ki. pro*esa Smer svi. pro*esa u prirodi je ka stanju ravnoteže UvoLenjem -akona pove5anja entropije de)inišu se i +rani*e u pretvaranju jedno+ o/3ika kretanja materije u dru+e o/3ike, a samim tim i %
pretvaranje top3ote u koristan rad $na&i, ovaj -akon uka-uje na spontanost dešavanja pro*esa u termodinami&kom sistemuOsnovne )ormu3a*ije ovo+ -akona jesu: 9 4ord Ie3vin: QNemo+u5e je napraviti mašinu koja /i rade5i u *ik3usu u-ima3a top3otu i- re-ervoara konstantne temperature i pretvara3a je u ekviva3entnu ko3i&inu rada /e- ikakvi. promena u sistemu i oko3iniQ =W.Thomson>F 9 I3au-ijus: Nemo+u5e je preneti top3otu sa .3adnije+ na top3iji re-ervoar, a da se pri tome odreLena ko3i&ina rada ne pretvori u top3otuQ = R.Clausius> Tre$i zakon terodinaike de)iniše
apso3utnu vrednost entropije koja je proi-iš3a ieksperimenta3no+ -ak3ju&ka da je -a povratan pro*es promene entropije materije na temperaturi apso3utne nu3e jednak nu3i Sa +3edišta k3asi&ne termodinamike ovaj prin*ip ne s3edi niti i- prvo+, niti i- dru+o+ -akona pak se isti može i-vesti na osnovu dru+o+ -akona termodinamike i kvantne me.anike
%. Terodinai&ki 'i'te
"ermodinami&ki sistem, i3i skra5eno sistem, podra-umeva odreLenu ko3i&inu neke supstan*e, o+rani&enu nekom -atvorenom površinom, koja je predmet neposredno+ ispitivanja Sistem može /iti +as u nekom sudu, živa 5e3ija, neka mašina, u suštini sve što nas okružuje i interesuje Na primer, kada se ispituje uti*aj temperature na /r-inu .emijske reak*ije, sistem predstav3ja -/ir svi. rea+uju5i. supstan*i "ermodinami&ki sistem je po svojim ra-merama ne/rojeno puta ve5i od ve3i&ine atoma i3i mo3eku3a, i kao takav poseduje sve oso/ine makroskopsko+ sveta Sistem može /iti odvojen od svoje oko3ine +rani*om, koja može /iti: 9 stvarna odnosno realna 9 kao na primer, -id /o*e koja sadrži jedan 3itar vre3e vodeF ! imaginarna " kao na primer, površina koja o/u.vata jedan ki3o+ram p3ina, dok on struji kro- *ev i kome se o/3ik i +ustina menjaju Pod oko3inom sistema podra-umeva se kom/ina*ija supstan*e i prostora koji se na3a-i i-van termodinami&ko+ sistema Na s3i*i 1, na primer, i-vesna ko3i&ina p3ina =&ije ponašanje že3imo da ispitamo> -atvorena u *i3indru sR k3ipom &ini termodinami&ki sistem, dok je sve ono što taj sistem okružuje, uk3ju&uju5i i t3o i oko3ni va-du., oko3ina to+ sistema Sistem i oko3ina, ako nisu u potpunoj ravnoteži, mo+u meLuso/no ra-menjivati top3otu i rad U-ajamno dejstvo sistema sa oko3inom odvija se ra-menom top3ote , i vršenjem rada <
6
Slika 1. Primer termodinami&ko+ sistema i oko3ine
U odnosu na interak*iju sa spo3jašnjom sredinom, termodinami&ki sistemi mo+u /iti: 9 Otvoreni sistemiF 9 $atvoreni sistemiF 9 -o3ovani sistemi
Slika %. "ermodinami&ki sistemi
Iod i-o3ovani. termodinami&ki. sistema se ne ostvaruje interak*ija sa oko3inom, tj nema ra-mene ener+ije i mase sa oko3inom U njemu +rani*a i-meLu sistema i oko3ine onemo+u5uje ra-menu supstan*e i ener+ije Gner+ija i masa u ovakvom jednom sistemu imaju konstantne vrednosti Iod -atvoreno+ termodinami&ko+ sistema, interak*ija sa oko3inom ostvaruje se samo u o/3iku ra-mene ener+ije, dok je masa u sistemu konstantna ak3e, -atvoren termodinami&ki sistem je sistem sa kontro3isanom masom, dok se protok ener+ije ostvaruje u potpunosti Naj&eš5e se u termodinami*i ispituju upravo -atvoreni sistemi
Iod otvoreno+ termodinami&ko+ sistema, interak*ija sa oko3inom ostvaruje se u o/3iku ra-mene ener+ije =ko3i&ina top3ote i3i rada> i mase ak3e, kod otvoreni. sistema kro- +rani*u sistema se ostvaruje protok mase =sa pripadaju5om ener+ijom>, /e- o/-ira da 3i se pri tome, kro+rani*u, ra-menjuju top3ota i rad Hemijski sistemi su pretežno -atvoreni sistemi, dok su /io3oški sistemi otvoreni Sistemi, takoLe, mo+u /iti .omo+eni i .etero+eni Sistem je .omo+en kad su mu svojstva ista u svim de3ovima i3i se kontinuirano menjaju od ta&ke do ta&ke, tj nema dru+i. ta&aka u sistemu +de se na+3o menja neko od svojstava sistema, osim jedino i isk3ju&ivo +rani*a sistema Na primer, .omo+en sistem je +as i3i smeša +asova, &ista te&nost, pravi rastvor Iada unutar sistema postoje ta&ke u kojima se neko svojstvo na+3o menja, kaže se da je taj sistem .etero+en Hetero+en sistem se može sastojati i- više .omo+eni. de3ova ?a-a predstav3ja .omo+eni deo sistema koji je od osta3i. de3ova odvojen +rani&nim površinama "akav sistem koji se sastoji od dve )a-e je, na primer, sistem te&nost i para, dve nemeš3jive te&nosti itd
(. Terodinai&ka 'voj'tva
9 9
"ermodinami&ki sistem poseduje odreLena svojstva koja se opisuju termodinami&kim ve3i&inama Ove ve3i&ine se de3u u dve +rupe, i to: inten-ivneF eksten-ivne nten-ivne ve3i&ine su )i-i&ke karakteristike sistema &ija /rojna vrednost ne -avisi od ko3i&ine materije u sistemu i nisu aditivne, odnosno ne sa/iraju se:
" "1 "2 primer:
=2>
nten-ivne ve3i&ine su, re*imo: temperatura, pritisak, +ustina, površinski napon itd Na
10 3 vode ="10TJ> !0 3 vode ="!0TJ> #0 3 vode ="20TJ> Gksten-ivne ve3i&ine -avise od ko3i&ine materije u sistemu i upravo su joj propor*iona3ne Ukupna vrednost neke eksten-ivne ve3i&ine jednaka je -/iru vrednosti -a pojedine de3ove u koje se sistem može pode3iti, tj eksten-ivne ve3i&ine imaju aditivni karakter:
m m1 m2 '
=!>
primer:
Gksten-ivne ve3i&ine su, re*imo: masa, -apremina, dužina, ener+ija, enta3pija itd Na
% k+ papira % k+ papira 10 k+ papira nten-ivne ve3i&ine -ovu se još i )aktori inten-iteta, a eksten-ivne )aktori kapa*iteta Na primer, ener+ija se kao eksten-ivna ve3i&ina stanja sistema može i-ra-iti kao proi-vod i- neke dru+e eksten-ivne ve3i&ine, t-v )aktor kapa*iteta, od jedne inten-ivne ve3i&ine, t-v )aktor inten-iteta Svaki vid ener+ije, u kome +a sistem ra-menjuje sa oko3inom, može se predstaviti ovakvim proi-vodom "ako se rad može i-ra-iti proi-vodom puta, kao )aktora kapa*iteta =jedini*a: metar 9 m> i si3e, kao )aktora inten-iteta =jedini*a: njutn 9 N> ad koji prati promenu -apremine sistema i-ražava se proi-vodom i- promene -apremine, kao )aktora kapa*iteta =jedini*a: metar ku/ni 9 m!> i pritiska, kao )aktora inten-iteta =jedini*a: paska3 9 Pa> MeLutim, poreLenje )aktora inten-iteta -a pojedine vidove ener+ije, kao i poreLenje nji.ovi. )aktora kapa*iteta, nije mo+u5e "op3ota i rad širenja su dva vida u kojima sistem može ra-meniti ener+iju sa oko3inom Io3i&ina ener+ije se i-ražava u džu3ima =;>, i ne postoji ni jedan numeri&ki )aktor koji /i mo+ao da pos3uži -a poreLenje dva )aktora kapa*iteta ovi. vidova ener+ija: top3ote -apremine sistema, niti postoji takav )aktor kojim /i se poredi3i nji.ovi inten-iteti: temperatura i pritisak
). Terodinai&ko 'tanje 'i'tea i terodinai&ki *araetri 'tanja
Parametri sistema su neposredno i3i posredno mer3jive ve3i&ine koje s3uže -a nje+ovo /3iže de)inisanje "ako, na primer, -a sistem =p3in> na s3i*i 1, osim .emijske )ormu3e i3i na-iva, tre/a po-navati i osta3e nje+ove parametre, kao što su: pritisak, temperatura, /oja, miris itd Stanje sistema de)iniše se nje+ovim odnosom i3i po-i*ijom prema nekom dru+om sistemu i3i oko3ini U svakom trenutku stanje neko+ termodinami&ko+ sistema može se de)inisati po-navanjem vrednosti parametara stanja to+ sistema Parametri stanja se mo+u meriti i &ine i. &etiri parametara koji su dovo3jni -a sam opis stanja sistema, a to su: 9 Pritisak = p >, jedini*a: paska3 = Pa >F 9 $apremina = >, jedini*a: metar ku/ni = m! >F 9 "emperatura = " >, jedini*a: stepen *e3-ijus = J >F 9 Io3i&ina supstan*e = n >, jedini*a: mo3 = mo3 > ˚
Pritisak, -apremina, temperatura i ko3i&ina supstan*e su &etiri termodinami&ka svojstva koja se mo+u neposredno meriti tako da primarno de)inišu sistem -meLu ovi. parametara postoji odreLena )unk*iona3na -avisnost Najjednostavnija )unk*iona3na -avisnost je po-nata kao )unk*iona3na jedna&ina idea3no+ +asno+ stanja:
p n" , (
=#>
+de je A +asna konstanta, koja i-nosi: ',1!##2 ;+mo3I - ove jedna&ine može da se i-ra-i i i-ra&una /i3o koji parametar ;edna&ina važi -a .omo+ene sisteme kod koji. je dovo3jno odrediti dva parametra stanja, dok se tre5i odredjuje i jedna&ine ok kod .etero+eni. sistema svaka )a-a ima svoju jedna&inu stanja
).1. Terodinai&ke ,unk-ije 'tanja 'i'tea
"ermodinami&ke )unk*ije stanja su ve3i&ine &iju apso3utnu termodinami&ku vrednost nije mo+u5e odrediti U termodinami&kim ra-matranjima dovo3jno je po-navati promene ovi. )unk*ija Promena termodinami&ke )unk*ije stanja odreLena je samo po&etnim i krajnjim stanjem sistema i ne-avisna je od puta uspostav3janja to+ stanja:
KK2 9 K1 ,
=%>
+de je: K1 A termodinami&ka )unk*ija stanja u po&etnom stanju, a K2 A termodinami&ka )unk*ija stanja u krajnjem stanju
Promena termodinami&ke )unk*ije stanja se može prika-ati kao potpuni di)eren*ija3: K2
V dK K2 9 K1
=6>
K1
Ukupna promena termodinami&ke )unk*ije stanja pri rever-i/i3nom kružnom pro*esu jednaka je nu3i:
.
=>
MeLutim, da /i se i-/e+3o o-na&avanje us3ova pri kojima se promene i-vode, a takoLe i da /i se poredi3e promene )unk*ija stanja -a ra-3i&ite pro*ese, konven*ijom su usvojeni standardni us3ovi: 9 pritisak od 100 kPa =1 /ar>F 9 ko3i&ina supstan*e od 1 mo3F 10
9 kon*entra*ija rastvora od 1 mo3 dm9!
).%. Unutrašnja ener#ija 'i'tea
Svaki sistema sadrži u se/i odreLenu ko3i&inu ener+ije, koja se na-iva unutrašnja ener+ija Unutrašnja ener+ija, U, predstav3ja -/ir ukupne ener+ije &esti*a i- koji. se sistem sastoji i us3ov3jena je kretanjem i u-ajamnim dejstvima ti. &esti*a 1 Ona o/u.vata kineti&ku ener+iju top3otno+ kretanja &esti*a =atoma, jona, mo3eku3a>, -atim poten*ija3nu ener+iju &esti*a us3ov3jenu nji.ovim u-ajamnim destvom =meLumo3eku3skim si3ama>, kao i kineti&ku i poten*ija3nu ener+iju protona i neutrona u atomskim je-+rima $/o+ postojanja meLumo3eku3ski. si3a nji.ova unutrašnja ener+ija se sastoji od kineti&ke i poten*ija3ne ener+ije meLude3ovanja2, odnosno:
UUk U p
='>
ak3e, unutrašnja ener+ija jeste -/ir kineti&ke i poten*ija3ne ener+ije, a svaka od nji. se može i-ra-iti kao -/ir ra-3i&iti. o/3ika ener+ije:
U Utr Urot Uvi/ Ue3 Uint Umir ,
=(>
+de je: 9 Utr A trans3a*iona ener+ija mo3eku3aF 9 Urot A rota*iona ener+ija mo3eku3aF 9 Uvi/ A vi/ra*iona ener+ija mo3eku3aF 9 Ue3 A e3ektrostati&ka ener+ija i-meLu nae3ektrisani. &esti*a u atomimaF 9 Uint A ener+ija .emijski. ve-a meLu atomima koji &ine mo3eku3F 9 Umir A ener+ija meLu nuk3eonima u atomskim je-+rima Sistem koji se na3a-i u odreLenom stanju poseduje odreLenu ko3i&inu unutrašnje ener+ije Uko3iko se stanje sistema promeni do3a-i i do promene unutrašnje ener+ije ak3e, -a ra-matranja u termodinami*i potre/no je po-navati promenu unutrašnje ener+ije, a ne i njenu apso3utnu vrednost Na primer, ako neki -atvoreni sistem koji poseduje unutrašnju ener+iju U1, pretrpi promenu stanja u toku neko+ )i-i&ko+ i3i .emijsko+ pro*esa, promeni5e mu se i unutrašnja 1 r ani3o Popovi5 Hemijski parametri radne i #ivotne sredine " $zvodi sa predavanja Niš: ?aku3tet -aštite na radu u Nišu, 2011, str %1 2 r Predra+ imitrijevi5 %izika Niš: ?aku3tet -aštite na radu u Nišu, 1(((, str 2#' 11
ener+ija U tom s3u&aju, sistem 5e imati ko3i&inu ener+ije U 2, koja je ra-3i&ita od ener+ije po&etno+ stanja Promena unutrašnje ener+ije je:
UU2 9 U1
=10>
i -avisi samo od po&etno+ i krajnje+ stanja sistema, /e- o/-ira na na&in kojim je doš3o do promene stanja sistema
. Terodinai&ka ravnoteža
Sisem u kome se ni jedno termodinami&ko svojstvo ne menja na3a-i se u stanju termodinami&ke ravnoteže, odnosno u tom sistemu v3ada me.ani&ka, termi&ka i .emijska ravnoteža &ehanička ravnote#a -a.teva
jednakost pritiska, odnosno da je ispunjen us3ov da je -/ir svi. si3a jednak nu3i W? 0 , i to u svim prav*ima Sistem se na3a-i u termičkoj ravnote#i kada svi nje+ovi de3ovi imaju jednaku temperaturu Iod .etero+eni. sistema, kod ko+a svaki od .omo+eni. sistema i3i de3ova imaju ra-3i&itu temperaturu, termi&ka ravnoteža se uspostav3ja nakon i-jedna&avanja nji.ovi. temperatura i -a tako uspostav3jeno stanje +radijent temperature jednak nu3i nastaje kada je .emijski poten*ija3 isti u svim de3ovima sistema, odnosno kada u sistemu nema .emijski. reak*ija Hemijska ravnote#a
Prema Nu3tom -akonu termodinamike, koji je i osnov termi&ke ravnoteže, možemo prika-ati na&in )unk*ionisanja termodinami&ke ravnoteže na primeru tri sistema koja posmatramo, i to sistema: , X i J Sistemi i X su u termi&koj ravnoteži, a takoLe i sistemi X i J U tom s3u&aju -ak3ju&ujemo da sistemi i J moraju /iti u termi&koj ravnoteži, što se može videti sa s3ike ! Sve dok je neki sistem u termodinami&koj ravnoteži u njemu ne postoji spontana promena stanja ko se /eskona&no ma3om promenom stanja posmatrani sistem i-vede i- ravnoteže i ako takav sistem ponovo uspostavi ravnotežno stanje, onda je ta promena kva-istati&na promena stanja
12
Slika (.
Prika- na&ina )unk*ionisanja termodinami&ke ravnoteže
/. Terodinai&ki *ro-e'i
Sama re& pro*es u termodinami*i o-na&ava neku promenu stanja i3i pre3a-ak sistema i jedno+ ravnotežno+ stanja u dru+o ravnotežno stanje Svako stanje termodinami&ko+ sistema karakterišu odreLene vrednosti parametara stanja Iada se vrednosti ti. parametara ne menjaju, ne+o ostaju iste u svim ta&kama prostora, u toku vremena, tada se sistem na3a-i u stanju termodinami&ke ravnoteže U sistemu koji se na3a-i u stanju termodinami&ke ravnoteže mo+u se odvijati pro*esi samo pod uti*ajem spo3jašnji. de3ovanja Promena neko+ parametra stanja dovodi do narušavanja ravnoteže Iada spo3jašnje de3ovanje prestane, onda sistem spontano pre3a-i u od+ovaraju5e ravnotežno stanje reme -a koje se odvija pre3a-ak sistema ineravnotežno+ u ravnotežno stanje na-iva se vreme re3aksa*ije! "ermodinami&ki pro*esi mo+u /iti: 9 Povratni i3i rever-i/i3ni: ako stanje sistema prevedemo i- jedno+ u dru+o stanje i ako se uspostavi prvo/itno stanje /e- promene oko3ineF 9 Nepovratni i3i irever-i/i3ni: ako se prvo/itno stanje ne može posti5i /e- trajne promene stanja sistema i oko3ine
! r ani3o Popovi5 Hemijski parametri radne i #ivotne sredine " $zvodi sa predavanja Niš: ?aku3tet -aštite na radu u Nišu, 2011, str %0 1!
Slika ). ever-i/i3ni pro*es
Slika
. rever-i/i3ni pro*es
ko je /r-ina promene neko+ parametra stanja mno+o ve5a od /r-ine uspostav3janja ravnoteže, onda ne-natne promene to+ parametra ne5e promeniti smer pro*esa Naveš5u kao primer, top3otnu ra-menu i-meLu dva sistema &ije se temperature -natno ra-3ikuju ko se temperatura jedno+ od ti. sistema i-meni -a veoma ma3u vrednost, onda se ne5e promeniti smer dato+ top3otno+ pro*esa "aj pro*es je i-veden nepovratno, odnosno irever-i/i3no Iod irever-i/i3ni. termodinami&ki. pro*esa, termodinami&ki sistem pro3a-i kro- ni- u-astopni. neravnotežni. stanja u- +u/itak ener+ije Sistem se ni na koji na&in ne može vratiti u po&etno stanje Svi pro*esi u prirodi su irever-i/i3no+ karaktera
MeLutim, uko3iko se vrednost neko+ parametra stanja menja sporo, vreme re3aksa*ije /i5e veoma kratko Promene stanja sistema u svakom momentu su -anemar3jivo ma3e Sistem suk*esivno pre3a-i i- jedno+ ravnotežno+ stanja u dru+o, veoma /3isko pret.odnom stanju Smer pro*esa se može i-meniti ako se ne-natno promene us3ovi pri kojima se odvija taj pro*es U tom s3u&aju, sve promene koje se dešavaju u nekom de3u direktno+ pro*esa ta&no o/rnute promenama koje se dešavaju kada se pro*es odvija u suprotnom smeru "ako i-veden pro*es je povratan, tj rever-i/i3ni ak3e, kod rever-i/i3ni. termodinami&ki. pro*esa, termodinami&ki sistem pro3a-i kro- ni- u-astopni. ravnotežni. stanja /e- +u/itka ener+ije ever-i/i3ni pro*es pove-uje dva ravnotežna stanja e-u3tat ovo+ pro*esa je de3ovanje spo3jašnji. si3a na sistem Suprotnim pro*esom sistem se može vratiti u po&etno stanje "ermodinami&ki pro*esi se de3e još i na: 9 -o.orske pro*eseF 9 -o/arske pro*eseF 9 -otermske pro*eseF 9 dija/atske pro*ese
1#
/.1. Izo0or'ki *ro-e'
Posmatramo promenu stanja +asa pri konstantnoj -apremini 1*onst 7as se prvo/itno na3a-io u stanju 1 na pritisku p 1 i temperaturi "1, a potom je prešao u stanje 2, +de mu je pritisak p2 i temperatura "2 Iada se primeni -akon termodinamike u di)eren*ija3nom o/3iku na i-o.orski pro*es, -/o+ 1*onst, e3ementarni rad dpd0, pa je ko3i&ina top3ote dv koja tre/a da se dovede +asu da /i on promenio temperaturu -a d":
dv dU nJ vd"
=11>
Slika / -o.orski pro*es
Ukupna promena unutrašnje ener+ije +asa pri promeni temperature te3a od "1 do "2, tj U12U29 U1 se do/ija inte+ra3jenjem i-ra-a =11> u +rani*ama "1 do "2, odnosno: "2
"2
"2
"1
"1
"1
U12 V dU V nJv V d" nJv ="29"1>
=12>
Ukupan rad u pro*esu promene stanja od stanja 1 do stanja 2 je jednak 0, tj 120, pa je ukupna ra-menjena ko3i&ina top3ote pri ovom pro*esu 12 , prema -akonu termodinamike jednaka ukupnoj promeni unutrašnje ener+ije: 12 U12 nJv ="29"1>
=1!>
/.%. Izoar'ki *ro-e'
Pri i-o/arskoj promeni stanja idea3no+ +asa do3a-i i do promene unutrašnje +asa, i do promene vršenja rada od strane +asa Posmatramo i-o/arsku promenu stanja +asa koja se vrši pri sta3nom pritisku pp1*onst +asa koji je u po&etnom stanju /io na temperaturi "1, a -atim se -a+rejao na temperaturu "2, pri &emu mu se -apremina promeni3a od -apremine 1 do 2 Ukupna ko3i&ina top3ote ra-menjena i-meLu +asa i oko3ine pri ovom pro*esu 12p prema prvom 1%
-akonu termodinamike mora /iti jednaka -/iru promene unutrašnje ener+ije +asa od stanja 1 do stanja 2, U12 i ukupno+ i-vršeno+ rada +asa 12, tj
12p U12 12
=1#>
Promena unutrašnje ener+ije +asa, pošto -avisi samo od krajnje i po&etne temperature, se i-ražava na isti na&in kao i kod i-o.orske promene stanja, odnosno: "2
"2
"2
"1
"1
"1
U12 V dU V nJv d" nJv V d" nJv ="29"1>
=1%>
Ukupan rad pri promeni -apremine +asa je jednak -/iru e3ementarni. radova pri promeni -apremine od 1 do 2 i do/ija se inte+ra3jenjem, tj 2
2
2
1
1
1
12 V d V p d p1 V d p1 =291> p1
16
=16>
Slika 2 -o/arski pro*es
Iako je pritisak konstantan, rad pri i-o/arskoj promeni je jednak proi-vodu to+ konstantno+ pritiska i promene -apremine Io3i&ina top3ote 12 je na osnovu pret.odno+ jednaka -/iru promene unutrašnje ener+ije +asa od stanja 1 do stanja 2 i ukupno+ i-vršeno+ rada +asa 12, tj
12 U12 12 nJv ="29"1> p1=291> nJv ="29"1> =n"29n"1> n=Jv >="29"1> nJ p ="29"1>
=1>
;ednakosti u dru+om redu i-ra-a =1> su do/ijene primenom jedna&ine stanja idea3no+ +asa -a +as u stanju 1 i 2 =p11n"1 i p22p12n"2>
/.(. Izoter'ki *ro-e'
Posmatramo promenu stanja idea3no+ +asa koji se na3a-io na pritisku p1 i -apremini 1 i temperaturi "1, i pri konstantnoj temperaturi mu je promenjen pritisak na p2, kao i -apremina na 2 Iako je temperatura +asa pri ovom pro*esu konstantna, tj ""1*onst, -ak3ju&ujemo da, pošto nema promene temperature, ne postoji ni promena unutrašnje ener+ije +asa, pa je u ovom s3u&aju U12 0 Io3i&ina top3ote 12 koju je +as ra-menio sa oko3inom u ovom pro*esu je jednaka radu koji je +as i-vršio 12 , tj 2
2
12 12 V d V p d 1
da je:
=1'>
1
Primenom jedna&ine i-otermsko+ pro*esa do/ija se da je p11p22pn"1*onst, tj
p n"1 Y ,
=1(>
pa ako se ovaj i-ra- uvede u jedna&inu =1'> -a rad 12 do/ija se: 2
2
1
1
12 V n"1 Y d n"1 V dY n"1=3n293n1> n"1 3n 1Y2 n"1 3n p2Yp1
1
=20>
Slika 3. -otermski pro*es
/.). Adijaat'ki *ro-e'
dija/atska promena stanja +asa je promena koja se odvija /e- ra-mene top3ote +asa sa oko3inom Iako je ra-menjena ko3i&ina top3ote nu3a, +as vrši rad na osnovu smanjenja svoje unutrašnje ener+ije ko se primeni -akon termodinamike u di)eren*ija3nom o/3iku -a ovaj pro*es, po3a-i se od to+a da je d0, tj 0 dU pd, odnosno
nJvd" pd 0
=21>
Ovo je di)eren*ija3na jedna&ina sa tri promen3jive p, i ", pa se jedna promen3jiva mora e3iminisati primenom jedna&ine stanja +asa, i to 5e /iti p Iako je p n" Y di)eren*ija3na jedna&ina =21> postaje:
nJvd" n" Y d 0
Slika 4 dija/atski pro*es
1'
=22>
dija/atska promena stanja se prika-uje u p9 dija+ramu, kako je prika-ano na s3i*i Ona je prika-ana na istom dija+ramu kao i i-oterma koja po3a-i i- iste ta&ke da /i se poka-a3o da je adija/ata strmija kriva od i-oterme, ako se posmatraju o/a pro*esa i ako kre5u i- isto+ po&etno+ stanja Iod adija/atsko+ pro*esa pri promeni stanja +asa od stanja 1 do stanja 2 ra-menjena ko3i&ina top3ote je 120, pa je -/ir ukupno+ i-vršeno+ rada 12 i promene unutrašnje ener+ije U12 jednak nu3i, pa važi da je:
12 9U12
=2!>
ko su ve3i&ine +asa u po&etnom stanju /i3e p1, 1 i "1, a u krajnjem stanju pos3e adija/atske promene p2, 2 i "2, promena unutrašnje ener+ije je: "2
"2
"2
"1
"1
"1
U12 V dU V nJv d" nJv V d" nJv ="29"1>,
=2#>
a ukupan rad je:
12 9U12 9 nJv ="29"1> =2%>
/.. Rad i to*lota
Gner+ija je sposo/nost sistema da vrši neki rad i3i da stvara top3otu Gner+ija se takoLe može ra-menjivati i-meLu sisitema i oko3ine u o/3iku rada i3i top3ote Sistem koji je ener+iju primo u jednom o/3iku, može da je preda u dru+om o/3iku
1(
Slika 15. Gner+ija
Promena ener+ije us3ed ureLeno+ kretanja e3ektrona je prika-ana na s3i*i , dok je na s3i*i X prika-ana promena ener+ije us3ed .aoti&no+ kretanja e3ektrona ad predstav3ja prenos ener+ije kor- +rani*e termodinami&ko+ sistema u toku promena nje+ovo+ stanja, koji se može koristiti -a promenu po3ožaja te3a "op3ota predstav3ja prenos ener+ije us3ed ra-3ike u temperaturi i-meLu sistema i oko3ine, u kome se koristi =termi&ko> kretanje mo3eku3a ad i top3ota nisu termodinami&ke )unk*ije sistema i jav3jaju se samo pri promeni stanja sistema svaki vid ener+ije se može prevesti u top3otu, a3i se top3ota ne može u potpunosti prevesti u rad =ener+iju dru+o+ reda>
20
!aklju&ak
Sti*anjem i pri.vatanjem odreLeni. sa-nanja o osnovnim pojmovima termodinamike, možemo posmatrati i prou&avati termodinami&ke sisteme Pošto -namo da se termodinami&ki sistemi na3a-e i u našem neposrednom okruženju , ova sa-nanja nam omo+u5uju da te sisteme koristimo na najadekvatniji na&in $akoni termodinamike koji važe samo -a makroskopske sisteme ne mo+u se primenjivati na pojedine e3ementarne &esti*e Pojmovi kao što su ko3i&ina top3ote , pritisak, entropija i dru+i, primenjeni na ma3e &esti*e +u/e smisao "akoLe se termodinami&ki pojmovi ne mo+u primenjivati na sisteme o+romni. ra-mera, kao što je vasiona, jer su osnovni stavovi termodinamike )ormu3isani -a sisteme sa o+rani&enom -apreminom i kona&nim interva3ima vremena "ermodinamika se i danas /avi -akonitostima koje s3uže kao osnova ra*iona3no+ koriš5enja top3otni. mašina, kao što su parna mašina, motori sa unutrašnjim sa+orevanjem, +a3vanski e3ementi, postrojenja -a .3aLenje i dru+e mašine i pro*ese ak3e, ste&eno -nanje o termodinami*i u mno+ome o3akšava svakodnevni život, a3i je i neop.odno u svim +ranama industrije, pa &ak je to3iko široko da o/u.vata i astronomiju kao i mno+e dru+e nauke
6iteratura
1> Xoji5, Mi3orad Termodinamika. Ira+ujeva*: ?aku3tet inženjerski. nauka, 2011 2> imitrijevi5, Predra+ %izika. Niš: ?aku3tet -aštite na radu u Nišu, 1((( !> ZorLevi5, S, raži5 %izička hemija Xeo+rad: "e.no3oško9meta3urški )aku3tet, 2000 #> Iurte3a, Ce3jko Osnove 'rodostrojarstva u/rovnik: e3eu&i3ište u u/rovniku, 2000 %> Popovi5, ani3o Hemijski parametri radne i životne sredine A -vodi sa predavanja Niš: ?aku3tet -aštite na radu u Nišu, 2011 6> .ttp:YY888/io3o-inetYup3oadY)i-[.emY).90%pd) =Pristup: 0#012016> > .ttp:YYsr8ikipediaor+YsrY\]^_`bc_b =Pristup: 212201%> '> .ttp:YY888*itB*o33e+iate*omYt.ermodBnami*sfi*.tm =Preu-eto: 212201%> (> .ttp:YY888))./+a*rsYokumentiYXi3jana +eo+ra)iY7? "GMONMI 0([10pd) =Preu-eto: 0#012016> 10> .ttp:YY888))./+a*rsYokumentiYXi3jana +eo+ra)iY7? "GMONMI 0([10pd) =Preu-eto: 0#012016>
