Kemiallinen termodynamiikka 3 Lmptila on helppo mitata Lauri

Kemiallinen termodynamiikka 3 Lämpötila on helppo mitata Lauri Partanen

Moduuli 3: Lämpötila on helppo mitata Tämän moduulin jälkeen opiskelija: • Tuntee termodynamiikan 0. pääsäännön ja alkaa hahmottaa pääsääntöjen roolia termodynamiikassa • Osaa tulkita lämpötilan käsitettä 0. pääsäännön, molekyylien keskimääräisen nopeuden ja Boltzmannin jakauman avulla.

Mekaaninen tasapaino Terminen tasapaino • Systeemin yhdistäminen diatermisella seinällä ympäristöön ei muuta sen ominaisuuksia. • Systeemin lämpötila on sama kaikkialla! Termodynaaminen tasapaino Kemiallinen tasapaino

Nollas pääsääntö on perustuu kokeellisiin havaintoihin Nollas pääsääntö kiteyttää termistä tasapainoa koskevan kokeellisen havainnon: Jos systeemi A on termisessä tasapainossa sekä B: n että C: n kanssa, ovat myös B ja C termisessä tasapainossa keskenään

Nollas pääsääntö mahdollistaa lämpömittarin rakentamisen t a v o e n , a l i t ö p m ä l a m sa n o a l l e ! e l n a ä p n a e k k s a l e l k a s s o n i a Jos kahde p a as t ä s s e s i m ter Lämpötila kertoo, ovatko systeemit termisessä tasapainossa!

Lämpötilaa mitataan epäsuorasti Hg Lämpötilaa voidaan mitata esim. 1. lasiputkessa olevan nestepatsaan korkeuden mukaan. • elohopea, etanoli jne. • lämpölaajeneminen erilaista eri aineilla! 2. ideaalikaasun ominaisuuksien avulla • termodynaaminen lämpötila-asteikko • yksikäsitteinen (kelvin) asteikko! Idk: n lämpötila veden kolmoispisteessä H 2 O Idk: n tilavuus veden kolmoispisteessä

Intermissio 1: Molekyylien energiatilat ovat kvantittuneet Vedyn emissiospektri 20 000 Wavenumber (cm-1) 12 500

Mitä lämpötila kuvaa? Tehtävä: Tutki ideaalikaasuhiukkasten käyttäytymistä simulaatiossa, kun lämpötilaa kasvatetaan Mitä hiukkasten nopeuden/kineettisen energian jakaumalle tapahtuu, kun lämpötilaa nostetaan tai hiukkasten massa pienenee? Miten hiukkasten keskimääräinen nopeus riippuu hiukkasten massasta ja lämpötilasta? Miten astian paine ja hiukkasten keskimääräinen nopeus käyttäytyvät?

Mitä lämpötila kuvaa? Havaintoja:

Kertauskysymyksiä Pohdi ryhmäsi kanssa vastaukset seuraaviin kysymyksiin: 1. Mikä on differentiaali? Milloin differentiaali on eksakti? Mitä hyötyä eksaktisuudesta on? 2. Mitä tarkoittaa tilasuure? Anna kaksi esimerkkiä tilasuureesta? 3. Määrittele termodynamiikan nollas pääsääntö. Mitä merkitystä nollannella pääsäännöllä on? 4. Mainitse kaksi tapaa, joilla lämpötila voidaan mitata.

Kertaus

Mitä lämpötila kuvaa? Entä nes teet ja ki inteät ain eet? !

Intermissio 2: Boltzmannin jakauma Lämpötila vaikuttaa miehitykseen! Pohdinta: Mitä energiatasojen väliselle miehitykselle tapahtuu, kun energiatasojen välinen etäisyys tai lämpötila kasvaa?

Lämpötila ja Boltzmannin jakauma • Energiaerotuksen Ei−Ej kasvaessa miehitysten suhde pienenee. • Etrs<Erot<Evib<Eel n e j o s a t a i g r e en i r e n i m e e t s sy o o t r e ! k a a s k s o o j n , i e a r p u a u s s a t sä s e s i m r • Lämpötilan kasvaessa e t Lämpötila on n e s k y t i h e i m n e s energiaerotusta verrataan yhä suhteelli suurempaan lukuun ⇒ miehitysten suhde kasvaa

Learning. Catalytics: Tarkastellaan kahta moolin näytettä argonia ja typpeä. Kummalla kaasuista olettaisit alimman energiatason miehityksen olevan suurempi i) 0 K lämpötilassa ja ii) lämpötilassa 298 K?

Kuvalähteet: Kansidia. Tetäväinen T. , Partanen L. (2019), valokuva Diatausta. Viitaharju P. , Partanen L. (2019), valokuva Dialogo WWF Earthbook, (2012), Polar bear on melting ice platform, Viitattu 27. 8. 2019. Haettu osoitteesta https: //www. mirror. co. uk/incoming/gallery/wwf- earthbook-882936 Dia 4 Atkins, P. ja De Paula, J. , L. (2010), Figure 1. 3. Zeroth law [Diagrammi], Teoksessa Atkins’ Physical Chemistry, 9 th edition, Oxford Univeristy Press, Oxford, New York Dia 5 Partanen L. (2013) Lämpötilan mittaaminen [Diagrammi] Dia 6 Menchi (2005) A medical/clinical thermometer showing the temperature of 38. 7 °C Viitattu 27. 8. 2019. Haettu osoitteesta https: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Clinical_thermometer_38. 7. JPG /CC https: //creativecommons. org/licenses/by-sa/3. 0/deed. en Dia 6 Schmelzer, J. ym. (2005). Density of water vs. temperature [Kaavio]. Artikkelissa Schmelzer, Jürn & Zanotto, Edgar & Fokin, Vladimir. (2005). Pressure dependence of viscosity. The Journal of chemical physics. 122. 074511. Dia 6 Aqra, F. ja Ayyad, A. (2011). Density of mercury vs. temperature [Kaavio]. Artikkelissa Aqra, F. & Ayyad, A. . (2011). Erratum to: Theoretical Calculations of the Surface Tension of Liquid Transition Metals. Metallurgical and Materials Transactions B. 42 B. 435. Dia 6 Levine I. (2009), Figure 1. 9. Constant pressure gas thermometer plots [Diagrammi], Teoksessa Physical Chemistry, 6 th edition, Mc. Graw Hill, New York, New York

Kuvalähteet Diat 7, 9, 10 ja 12 Atkins, P. ja De Paula, J. , L. (2010), Figure F. 4. Energy level separation of different types of energy levels [Diagrammi], Teoksessa Atkins’ Physical Chemistry, 9 th edition, Oxford Univeristy Press, Oxford, New York Dia 7 Ronan, P. (2007) Sähkömagneettinen spektri Viitattu 31. 8. 2019. Haettu osoitteesta https: //commons. wikimedia. org/wiki/File: EM_spectrum. svg#/media/File: EM_spectrum_fi. svg /CC https: //creativecommons. org/licenses/bysa/3. 0/deed. en Dia 7 NIST, (1964), IR-spectrum of carbon dioxide, Viitattu 31. 8. 2019. Haettu osoitteesta https: //webbook. nist. gov/cgi/cbook. cgi? ID=C 124389&Units=SI&Type=IR-SPEC&Index=1#IR-SPEC Dia 7 Partanen, L. , (2009), Vetyatomin emissiospektri Dia 7 Ricely, J. , (2014), Ro-vibrational spectrum of HCl, Viitattu 31. 8. 2019. Haettu osoitteesta https: //www. odinity. com/vibration-rotation-spectroscopy-hcl/ Dia 7 Engel T. ja Reid, P. (2014), Chapter 2 Table 2 Energy level spacing for different degrees os freedom [Taulukko], Teoksessa Physical Chemistry, 3 rd edition, Pearson, Harlow, England Diat 9 ja 10 Atkins, P. ja De Paula, J. , L. (2010), Figure F. 7. Molecular speed distribution [Diagrammi], Teoksessa Atkins’ Physical Chemistry, 9 th edition, Oxford Univeristy Press, Oxford, New York Diat 10 ja 12 Fir 0002/Flagstaffotos (2005) Hot Metalwork Viitattu 31. 8. 2019. Haettu osoitteesta https: //en. wikipedia. org/wiki/Incandescence#/media/File: Hot_metalwork. jpg /CC https: //creativecommons. org/licenses/by-nc/4. 0/ Dia 11 Nave, R. Lithium energy level diagram Viitattu 31. 8. 2019. Haettu osoitteesta http: //hyperphysics. phy-astr. gsu. edu/hbase/quantum/lithium. html Dia 12 Atkins, P. ja De Paula, J. , L. (2010), Figure F. 6. Occupation of energy levels for different types of energy levels [Diagrammi], Teoksessa Atkins’ Physical Chemistry, 9 th edition, Oxford Univeristy Press, Oxford, New York Dia 12 Engel T. ja Reid, P. (2014), Chapter 2 Figure 6 Occupation of energy levels upon termperature increase [Diagrammi], Teoksessa Physical Chemistry, 3 rd edition, Pearson, Harlow, England