Kemiallinen termodynamiikka 6 Ty ja lmp Lauri Partanen

Kemiallinen termodynamiikka 6 Työ ja lämpö Lauri Partanen

Moduuli 6: Työ ja lämpö Tämän moduulin jälkeen opiskelija: • tuntee, millaisilla eri tavoilla systeemin energiaa voidaan muuttaa. • pystyy vertailemaan työtä ja lämpöä molekyylitasolla. • osaa luokitella termodynaamisia prosesseja irreversiibeleihin ja reversiibeleihin sekä ekso- ja endotermisiin.

Miten systeemin energia voi muuttua: Työ

Tilavuudenmuutostyö Huom. Männän kaasuun aiheuttama hetkellinen paine

1. Työtä tarkastellaan systeemin näkökulmasta: • Random encounter! Pohdi ryhmässä, menettääkö vai saako systeemi energiaa, jos systeemin tilavuus pienenee.

Reversiibelit ja irreversiibelit prosessit Reversiibeli prosessi • Infinitesimaalinen muutos olosuhteissa pystyy palauttamaan systeemin aiempaan tilaan. • Systeemillä jokaisessa pisteessä hyvin määrätty termodynaaminen tila. • Reversiibelit prosessit ovat usein äärimmäisen hitaita! Irreversiibeli prosessi • Infinitesimaalinen muutos olosuhteissa ei pysty palauttamaan systeemi aiempaan tilaan. • Systeemillä ei välttämättä ole prosessin aikana hyvin määriteltyä termodynaamista tilaa. • Kaikki nopeasti tapahtuvat prosessit ovat käytännössä irreversiibeleitä.

Reversiibeli ja irreversiibeli tilavuudenmuutostyö

Tehtävä: Mäntäsysteemiin on suljettu 0, 5 mol heliumkaasua 1 atm paineessa ja 298 K lämpötilassa. Laske tehty työ, kun kaasun tilavuus pienennetään puoleen pudottamalla männän päälle vesipisaroita.

Tilavuudenmuutostyö molekyylitasolla? Hiukkanen laatikossa mallin energiatasot: Kun laatikon koko pienee energiatasot siirtyvät etäämmälle toisistaan. Esim. Vakiolämpötilassa miehitys muuttuu, mutta kokonaisenergia pysyy vakiona. 10 nm T = 0, 2 K 5. 0 nm

Miten systeemin energia voi muuttua: Lämpö Tarkastellaan kahta eri lämpötiloissa olevaa systeemiä 1 ja 2: Kun systeemit viedään lämpöyhteyteen, systeemien välillä siirtyy lämpöä, kunnes lämpötilat ovat samat

Learning. Catalytics 1: Kuvan polyoxymetyleenistä valmistetut sylinterit upotetaan 60 o. C lämpöhauteeseen huoneessa, jonka lämpötila on 25 o. C. Mitä voit sanoa sylinterien lämpötiloista 1000 vuoden kuluttua?

Huomioita lämmöstä

Endo- ja eksotermiset reaktiot Pohdintatehtävä: • Prosessi on endoterminen, Miksi videossa jos vedellä se sitoo lämpöä - Isotermisessä prosessissa kostutettu puupalikka pysyylämpöä kiinnivirtaa ympäristöstä systeemiin. ammoniumkloridia ja bariumhydroksidia - Adiabaattisessa prosessissa systeemin lämpötila sisältävässä astiassa? laskee. • Prosessi on eksoterminen, jos se vapauttaa lämpöä - Isotermisessä prosessissa lämpöä virtaa systeemistä ympäristöön - Adiabaattisessa prosessissa systeemin lämpötila nousee

Miksi systeemin energia kasvaa, kun siihen tuodaan lämpöä? Vastaus nähdään Boltzmannin jakaumasta: ⇒ Kun lämpötila nousee yhä ylemmät energiatasot tulevat miehitetyiksi! 0, 2 K 0, 4 K

Who knew work and heat were so complicated? Lämpö Työ • Lämmön siirto systeemistä • Kun systeemi tekee työtä ympäristöön lisää ympäristöön järjestäytynyt ympäristön hiukkasten liike ympäristössä lisääntyy. n ä ä d h ä n llä i l ä v n ö m m satunnaista liikettä. o työn ja lä • Esim. jousen jännitys, ! a l l a Er m e l i a kk r a t ä ö t s i r ä sähkövirta ymp

Learning. Catalytics 2: Mitkä seuraavista eivät ole tilasuureita?

Kuvalähteet: Kansidia. Tetäväinen T. , Partanen L. (2019), valokuva 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/wwfearthbook-882936 Diatausta. Viitaharju Dia 3 Atkins, P. ja De Paula, J. , L. (2010), Table 2. 1. Varieties of work [Diagrammi], Teoksessa Atkins’ Physical Chemistry, 9 th edition, Oxford Univeristy Press, Oxford, New York Dia 3 Engel T. ja Reid, P. (2014), Chapter 2 Figure 2 Current produced by generator used to do work [Diagrammi], Teoksessa Physical Chemistry, 3 rd edition, Pearson, Harlow, England Dia 3 Partanen, L. (2013), Työn määritelmä painon nostajana [Diagrammi] Diat 4 ja 8 Atkins, P. ja De Paula, J. , L. (2010), Figure 2. 6. Movement of piston and work [Diagrammi], Teoksessa Atkins’ Physical Chemistry, 9 th edition, Oxford Univeristy Press, Oxford, New York Dia 5 Clipart-library, Zombie , Viitattu 3. 9. 2019. Haettu osoitteesta http: //clipart-library. com/clipart/16057. htm Dia 6 Atkins, P. ja De Paula, J. , L. (2010), Figure 2. 7. Work done when a gas expands [Diagrammi], Teoksessa Atkins’ Physical Chemistry, 9 th edition, Oxford Univeristy Press, Oxford, New York Dia 6 Anon (2003), Path dependence of work, Viitattu 3. 9. 2019. Haettu osoitteesta http: //web. mit. edu/djirvine/www/3. 012%20 lectures/3. 012%20 lect 03. htm Diat 7, 8 ja 16 Tymillers, Mortal Combat vs-logo. Viitattu 27. 8. 2019. Haettu osoitteesta https: //www. cleanpng. com/png-mortal-kombat-vs-dc-universe-injustice-2 -shao-kahn-3051327/ Diat 7 ja 14 Yun free stock photos, Ice surface of lake onuma, Viitattu 3. 9. 2019. Haettu osoitteesta http: //www. yunphoto. net/en/photobase/yp 4077. html Dia 7 US Air Force Public Affaris (2015) Explosive ordnance disposal technicians from the 332 d Expeditionary Civil Engineer Squadron conduct a controlled detonation Sept. 30, 2009, at Joint Base Balad, Iraq. EOD technicians are responsible for the disposal of all unexploded ordnance on the base. . Viitattu 3. 9. 2019. Haettu osoitteesta https: //commons. wikimedia. org/wiki/File: USAF_EOD_explosion. jpg /CC (Public domain)

Kuvalähteet: Dia 8 Atkins, P. ja De Paula, J. , L. (2010), Figure 2. 8. Movement of piston and reversible work [Diagrammi], Teoksessa Atkins’ Physical Chemistry, 9 th edition, Oxford Univeristy Press, Oxford, New York Dia 10 Engel T. ja Reid, P. (2014), Chapter 2 Figure 5 Energy levels on box size increase [Diagrammi], Teoksessa Physical Chemistry, 3 rd edition, Pearson, Harlow, England Dia 10 Foresman, P. S. (2008) Line art drawing of a cube. Viitattu 3. 9. 2019. Haettu osoitteesta https: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Cube_(PSF). png /CC (Public domain) Dia 11 Partanen. L. (2013) Lämpötilan tasaantuminen [4 kuvaa] Dia 12 Paathare, S. ym. (2015) Understanding thermal equilibrium through activities [Kuva 2] Physics Education, 50, 146 - 158 Dia 13 Engel T. ja Reid, P. (2014), Chapter 2 Figure 3 Energy levels on box size increase [Diagrammi], Teoksessa Physical Chemistry, 3 rd edition, Pearson, Harlow, England Dia 14 Atkins, P. ja De Paula, J. , L. (2010), Figure 2. 2. System responses to endo- and exothermic reactions [Diagrammi], Teoksessa Atkins’ Physical Chemistry, 9 th edition, Oxford Univeristy Press, Oxford, New York Dia 15 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 Dia 15 Atkins, P. ja De Paula, J. , L. (2010), Figure F. 5. impact of temperature increase on occupation[Diagrammi], Teoksessa Atkins’ Physical Chemistry, 9 th edition, Oxford Univeristy Press, Oxford, New York Dia 16 Atkins, P. ja De Paula, J. , L. (2010), Figure 2. 3. Energy in heat [Diagrammi], Teoksessa Atkins’ Physical Chemistry, 9 th edition, Oxford Univeristy Press, Oxford, New York Dia 16 Atkins, P. ja De Paula, J. , L. (2010), Figure 2. 4. Energy in work [Diagrammi], Teoksessa Atkins’ Physical Chemistry, 9 th edition, Oxford Univeristy Press, Oxford, New York