Komplex természettudomány 9.évfolyam Hőtan II.-Termodinamika, Halmazállapotváltozások Komplex természettudomány 9.évfolyam

1. Termodinamika-alapok A belső energia fogalma: Minden testnek 0 K felett energiája van, ami a test részecskéinek mozgásából származik. A gázoknál ezt a mozgást rendezetlen hőmozgásnak, vagy Brown- féle mozgásnak hívjuk. Eb=(f/2)nRT=(f/2)NkT=(f/2)pV Ahol f a gáz szabadsági foka: Egyatomos gáz esetén f= 3 pl: He, Xe, Kr Kétatomos gáz esetén f= 5 pl: H2, O2, N2 Összetett gázok esetán f= 6 pl: metán(CH4) Kinetikus gázmodell (golyó-modell) - a gázrészecskék apró tömegpontok („golyók”) - Rendezettlen hőmozgást végeznek a részecskék - A részecskék hőmozgás során rugalmasan ütköznek egymással és a tartály falával

2.Termodinamika-I. főtétel A testek belső energiája kétféle módon változhat meg: Mechanikai munkavégzés (W) vagy termikus hőközlés (Q) útján. Gázok esetén általában ezek egyszerre hoznak létre belső energia változást. Ez lényegében az energiamegmaradás törvényének kiterjesztése, hiszen figyelembe veszi például a súrlódásból származő munkavégzést/hőfejlődést is! ∆Eb=W+Q Ez a termodinamika első főtétele. Speciális folyamatok esetében ez a főtétel egyszerűbb alakra hozható: Izobár folyamat: ∆Eb=Q-p∆V Izochor folyamat: ∆Eb=Q és W=0 Izoterm folyamat: ∆Eb=0 és Q=-W Adiabatikus folyamat: ∆Eb=W és Q=0

3.Termodinamika-II. főtétel Az első főtétel csak a folyamatok jellegét írja le, az energiaátadás irányát nem szabályozza. Tehát az első főtétel nem tiltja meg , hogy a meleg teába rakott hideg kanál adjon energiát a teának és így a kanál még hidegebb legyen. Ez persze a természetben nem jöhet létre. Ezt szabályozza a termodinamika II. főtétele: A spontán termikus folyamatok iránya mindig olyan , hogy a melegebb test ad át energiát a hidegebb testnek. A folyamat csak külső energia befektetéssel fordítható meg. Ennek azonban komoly gyakorlati következményei vannak: 1. Nem készíthető elsőfajú örökmozgó(perpetuum mobile), ami a semmiből nyerne energiát és azzal örökké mozgásban tudna maradni. 2.Nem készíthető másodfajú örökmozgó, ami a tőlünk kapott energiát energiaveszteség nélkül használná és mozogna vele örökké. Ez lenne a tökéletes gép. 3. A 0 K gyakorlatban elérhetetlen.(Ez a termodinamika III. főtétele is egyben)Ez például abból is adódik, hogy az anyag 0 K hőmérsékleten 0 térfogatú lenne amit a fizika nem tud értelmezni.

4.Halmazállapotok-szilárd fázis A szilárd anyagok részecskék között erősebb kémiai kötések működnek A részecskék között erősebb kapcsolatok alakulnak ki A szilárd anyagokban nagyfokú rendezettség figyelhető meg A részecskék közötti kötések meghatározzák a részecskék elhelyezkedését, önálló alakkal rendelkeznek A részecskék helyhez kötöttek A részecskék egy adott pont körül rezgőmozgást végeznek A részecskék nem távolodhatnak el egymástól Önálló térfogattal rendelkeznek A részecskék között minimális szabad hely van A szilárd anyagok összenyomhatósága elhanyagolható

5.Halmazállapotok-folyadék fázis A folyadékok részecskéi között gyenge kémiai kötések működnek A részecskék között gyenge kapcsolat van A folyadékok szerkezetében kismértékű rendezettség van A részecskék nincsenek helyhez kötve. Gördülő mozgást végeznek A folyadékok részecskéi csak kis mértékben távolodhatnak el egymástól, önálló térfogattal rendelkeznek A folyadékok részecskéi között kevés az „üres hely” A folyadékok kismértékben összenyomhatók A folyadékok részecskéi a tároló faláig terjedhetnek Felveszik az edény alakját, nincs önálló alakjuk

6.Halmazállapotok-gáz fázis A gázok részecskéi között nincs kémiai kötés A részecskék között - az ütközésektől eltekintve- nincs kapcsolat A gázok részecskéi egymástól függetlenül, szabadon mozoghatnak Egyenes vonalú mozgást végeznek, mindaddig, míg egymással, vagy az edény falával nem ütköznek A részecskék a tároló faláig terjedhetnek Felveszik az edény alakját, nincs önálló alakjuk Kitöltik a rendelkezésre álló teret, nincs önálló térfogatuk. A részecskék között sok az „üres hely” A gázok nagymértékben összenyomhatók A három halmazállapot közül a gázokban a legnagyobb a rendezettlenség

7.Halmazállapotváltozások Olvadás: szilárdból folyékony (endoterm folyamat) Fagyás: folyékonyból szilárd (exoterm folyamat) Párolgás, forrás: folyékonyból gáz ( endoterm folyamat) Lecsapódás: gázból folyékony (exoterm folyamat) Kristályosodás: gázból szilárd (exoterm folyamat) Szublimáció: szilárdból gáz (endoterm folyamat)

Kísérlet: Rend és rendezetlenség Alapprobléma: A gázok kitöltik a rendelkezésre álló teret (Statisztikus modelljáték) Feladat: 1. Helyezze el a tartálylapon az „A” rekeszbe a megszámozott jelölőket megfelelő számban. 2. Dobjon a kockával és a kapott szám jelölőjét rakja át a másik rekeszbe, majd rögzítse az így létrejött eloszlást. 3. Ismételje meg a 2. lépést 50-szer. 4. Állapítsa meg melyik eloszlás jött ki a legtöbbször. Házi feladat: Készítsen oszlopdiagrammot a kapott eloszlásokból!