Fizikai kémia és gyakorlati alkalmazások

Slides:



Advertisements
Hasonló előadás
FIZIKA Alapok Balthazár Zsolt Apor Vilmos Katolikus Főiskola.
Advertisements

A kifizetési kérelem összeállítása TÁMOP-3.2.9/B-08 Audiovizuális emlékgyűjtés.
A FELNŐTTKÉPZÉSI A FELNŐTTKÉPZÉSI INTÉZMÉNYEK HATÉKONYSÁGÁNAK VIZSGÁLATA Felnőttképzők Szövetsége Borsi Árpád Budapest, december 10.
Elsőrendű és másodrendű kémiai kötések Hidrogén előállítása A hidrogén tulajdonságai Kölcsönhatások a hidrogénmolekulák között A hidrogénmolekula elektroneloszlása.
1 Az önértékelés mint projekt 6. előadás 1 2 Az előadás tartalmi elemei  A projekt fogalma  A projektek elemei  A projekt szervezete  Projektfázisok.
FIZIKAI KÉMIA ÉS GYAKORLATI ALKALMAZÁSOK Ajánlott irodalom: P. W. Atkins: Fizikai kémia I-III. (Tankönyvkiadó, Budapest, 2002) Póta György: Modern fizikai.
Környezeti fenntarthatóság. A KÖRNYEZETI FENNTARTHATÓSÁG JELENTÉSE A HELYI GYAKORLATBAN Nevelőtestületi ülés,
A tüzelőanyag cellák felhasználása mérnöki szempontból- Dr. Bánó Imre.
Klasszikus termodinamika Termodinamika h ő vel, munkával, f ő tételekkel, h ő er ő gépek tulajdonságai alapján.
Napenergia-hasznosítás az épületgépészetben Konferencia és kiállítás november 9. Nagy létesítmények használati melegvíz készítő napkollektoros rendszereinek.
Gazdasági jog IV. Előadás Egyes társasági formák Közkeresleti társaság, betéti társaság.
Palotás József elnök Felnőttképzési Szakértők Országos Egyesülete
Integrációs elméleti alapok, az integrációk típusai
Nemzeti Erőforrás Minisztérium Oktatásért Felelős Államtitkárság
Valószínűségi kísérletek
PANNON-LNG Projekt Tanulmány LNG lehetséges hazai előállításának
Becslés gyakorlat november 3.
Áramlástani alapok évfolyam
A napsugárzás jótékony hatásai:
Végeselemes modellezés matematikai alapjai
irreverzíbilis folyamatok termodinamikája II.
A közigazgatással foglalkozó tudományok
Észlelés és egyéni döntéshozatal, tanulás
Baross László Mezőgazdasági Szakközépiskola és Szakiskola Mátészalka
A gázállapot. Gáztörvények
Levegőtisztaság-védelem 6. előadás
Komplex természettudomány 9.évfolyam
Vörös-Gubicza Zsanett képzési referens MKIK
Colorianne Reinforce-B
Környezetgazdaságtan 1
VákuumTECHNIKAi LABORATÓRIUMI GYAKORLATOK
A mozgási elektromágneses indukció
Komplex természettudomány 9.évfolyam
Operációkutatás I. 7. előadás
Idojaras szamitas.
Munka és Energia Műszaki fizika alapjai Dr. Giczi Ferenc
Innovációs képesség és jólét összefüggései
Szerkezetek Dinamikája
Megújuló energiák Készítette: Petőfi Sándor Általános Iskola
Dr. habil. Gulyás Lajos, Ph.D. főiskolai tanár
CONTROLLING ÉS TELJESÍTMÉNYMENEDZSMENT DEBRECENI EGYETEM
Számítógépes szimulációval segített tervezés
MŰSZAKI KÉMIA 1. TERMODINAMIKA ELŐADÁSOK GÉPÉSZMÉRNÖK HALLGATÓKNAK
A termodinamika III. főtétele
Munkanélküliség.
Környezeti Kontrolling
Új pályainformációs eszközök - filmek
Fényforrások 3. Kisülőlámpák
Halmazállapot-változások
A csoportok tanulása, mint a szervezeti tanulás alapja
Tremmel Bálint Gergely ELTE-TTK, környezettudomány MSc
szabadenergia minimumra való törekvés.
2. A KVANTUMMECHANIKA AXIÓMÁI
Biofizika Oktató: Katona Péter.
Vállalati fenntarthatóság
Összeállította: J. Balázs Katalin
Hőtan Összefoglalás Kószó Kriszta.
Megújuló energiaforrások
SZAKKÉPZÉSI ÖNÉRTÉKELÉSI MODELL I. HELYZETFELMÉRŐ SZINT FOLYAMATA 8
A szállítási probléma.
I. HELYZETFELMÉRÉSI SZINT FOLYAMATA 3. FEJLESZTÉSI FÁZIS 10. előadás
Emlékeztető/Ismétlés
Az atom tömege Az anyagmennyiség és a kémiai jelek
Műveletek, függvények és tulajdonságaik Mátrix struktúrák:
Családi vállalkozások
Fizikai kémia 2 – Reakciókinetika
Állandó és Változó Nyomású tágulási tartályok és méretezésük
Áramlástan mérés beszámoló előadás
KOHÉZIÓS POLITIKA A POLGÁROK SZOLGÁLATÁBAN
A talajok mechanikai tulajdonságai III.
Előadás másolata:

Fizikai kémia és gyakorlati alkalmazások Ajánlott irodalom: P. W. Atkins: Fizikai kémia I-III. (Tankönyvkiadó, Budapest, 2002) Póta György: Modern fizikai kémia (Digitális Tankönyvtár, 2013) Zrínyi Miklós: A fizikai kémia alapjai I-III. (Műszaki Könyvkiadó, 2006) Zrínyi Miklós: A fizikai kémia alapjai (Semmelweis Kiadó, Budapest, 2015) Baranyai András, Schiller Róbert: Statisztikus mechanika vegyészeknek (Akadémiai Kiadó, Budapest, 2003) Péter Érdi, Gábor Lente: Stochastic Chemical Kinetics (Springer, 2014)

klasszikus termodinamika Póta György: Modern fizikai kémia (Digitális Tankönyvtár, 2013), 1.1 fejezet P. W. Atkins: Fizikai kémia I. (Tankönyvkiadó, Budapest, 2002)

Klasszikus termodinamika „Amikor először tanulod, egyáltalán nem érted meg. Amikor másodjára tanulod, azt hiszed, érted, legfeljebb egy-két csekélység kivételével. Amikor harmadszorra tanulod, már tudod, hogy mégsem érted, de addigra már annyira hozzászoktál ehhez, hogy többé nem is zavar”. Pierre Perrot (1939 – ) francia fizikus

Az első főtétel Az energiamegmaradás tételének általános érvényű megfogalmazása. Kimondásához a belső energia, munka és hő fogalmát kell átismételnünk.

Belső energia, U A termodinamikai rendszert alkotó részecskék összes mozgási és helyzeti (potenciális, kölcsönhatási) energiája. A kémiai termodinamikában – megállapodás szerint – nem számít bele a rendszer, mint egész helyzeti és mozgási energiája. A belső energiát rendszerint a térfogat, a hőmérséklet és az anyagmennyiségek függvényének tekintjük: Extenzív sajátság és állapotfüggvény.

Energiaközlési módok hő, δq: a részecskék közötti mikroszkopikus munkavégzés, energiaátadás; térfogati munka: -pexdV (ahol pex a külső nyomás, dV pedig az elemi térfogatváltozás); egyéb munka, δwe: minden energiaközlés vagy elvétel, ami nem hő és nem térfogati munka.

Az első főtétel Zárt rendszerben (ahol nincs anyagcsere a környezettel): Nyílt rendszerben, kvázisztatikus folyamatokkal, ha nincs egyéb (hasznos) munka: Σ: a rendszer és környezet közötti anyagáramláshoz kapcsolódik. (parciális moláris entalpia) fizikai tartalma: anyag be- és kiáramlásakor mindig van valamilyen nyomás, amely ellen az áramlásnak munkát kell végeznie, s e munka hozzáadódik az áram által szállított belső energiához.

Entalpia, H Definíciója: Rendszerint a nyomás, a hőmérséklet és az anyagmennyiségek függvényének tekintjük: Extenzív sajátság és állapotfüggvény.

Hőkapacitás, C Ha a vizsgált folyamatban az elemi δq hőmennyiség dT hőmérsékletváltozást okoz, akkor a folyamat hőkapacitása: A hőkapacitás az a hőmennyiség, amely a rendszer hőmérsékletét egy fokkal változtatja meg. (A differenciális definíció azért szükséges, mert a hőkapacitás függhet a hőmérséklettől.) Állandó térfogatú (izochor, izoszter) folyamatban: Állandó nyomású (izobár) folyamatban:

Irreverzíbilitás A gyakorlatban lejátszódó számos folyamat megfigyelése nyomán kialakult az irreverzíbilitás fogalma. Az irreverzíbilis (megfordíthatatlan) termodinamikai folyamatoknál a rendszer kezdeti állapota nem állítható vissza anélkül, hogy a környezetben ne maradna vissza valamilyen változás. A reverzíbilis (megfordítható) folyamat a kevéssé irreverzíbilis folyamatok elvi határesete. Reverzíbilis folyamat a valóságban nincs ugyan, fogalma mégis hasznos, mert segítségével a tényleges folyamatokra nézve hasznos korlátok vezethetők le.

Második főtétel Többféle, egymással kapcsolatban levő, de nem feltétlenül egyenértékű megfogalmazása ismeretes: Nem létezik olyan hőerőgép, amelynek egyetlen hőtartálya volna, s ennek hűlése árán ciklikusan munkát tudna végezni. (Tehát kell legalább két hőtartály.) Hő önként csak a melegebb helyről áramlik a hidegebb felé. Az adott körülmények között ténylegesen lejátszódó természeti folyamatok mind irreverzíbilisek.

Entrópia, S Definíciója: ahol δqrev a reverzíbilis folyamat elemi szakaszán felvett vagy leadott hő, T pedig az e szakaszon érvényes hőmérséklet. Az S entrópia állapotfüggvény és extenzív sajátság. Zárt rendszerben lejátszódó irreverzíbilis folyamatokra érvényes a Clausius-egyenlőtlenség: ahol dS az entrópia elemi megváltozása, δq pedig a folyamatban ténylegesen felvett vagy leadott elemi hő.

Entrópia, S Az irreverzíbilis termodinamika felé mutató lépés, ha a dS entrópiaváltozást külső (dkS) és belső (dbS) összetevőre bontjuk: dkS a környezettel kicserélt hő miatt lép fel: dbS a rendszer belső irreverzíbilitásának, a benne lejátszódó irreverzíbilis folyamatoknak (pl. nyomás-, hőmérséklet-, koncentrációkiegyenlítődés, kémiai reakció) a következménye. Irreverzíbilis folyamatok esetén pozitív:

Szabadenergia (Helmholtz-függvény), F Definíciója: ahol U a belső energia, S az entrópia, T pedig a hőmérséklet. A szabadenergia extenzív sajátság és állapotfüggvény. A szabadenergia megváltozása zárt rendszerben egyrészt: másrészt (egyéb vagy hasznos munka nélkül): A két egyenletből:

Szabadenergia (Helmholtz-függvény), F Nyílt rendszerben egyrészt: másrészt: ahol μi az i-edik anyagfajta kémiai potenciálja. Ezekből az egyenletekből:

Szabadenergia (Helmholtz-függvény), F Zárt rendszer Nyílt rendszer Állandó V és T esetén: Ha a folyamat munkát termel (δwe < 0): Ha nincs munka:

Szabadentalpia (Gibbs-függvény), G Definíciója: A szabadentalpia extenzív sajátság és állapotfüggvény.

Szabadentalpia (Gibbs-függvény), G Zárt rendszer Nyílt rendszer Állandó p és T esetén: Ha a folyamat munkát termel (δwe < 0): Ha nincs munka:

Harmadik főtétel A harmadik főtétel egyik megfogalmazása szerint az abszolút zérus fokon a tiszta, tökéletesen kristályos anyagok entrópiája nulla. Ez összhangban áll Boltzmann-formulájával. Az ilyen anyagokban ugyanis létezik egy határozott legkisebb energiaszint és az abszolút zérus fokon minden részecske ezen az energiaszinten helyezkedik el. Ennek az állapotnak a termodinamikai valószínűsége W = 1, így S = klnW = 0. Következménye, hogy lehetővé teszi az entrópia abszolút értékének meghatározását, ha az integrálás intervallumában nincs fázisváltozás:

Harmadik főtétel A harmadik főtétel egy másik lehetséges megfogalmazása az, hogy az abszolút zérus fok elérhetetlen. Ennek megértéséhez úgy is eljuthatunk, hogy figyelembe vesszük: a szilárd anyagok hőkapacitása a hőmérséklet csökkentésével nullára csökken. A rendszer hűtésekor tehát a kísérleti hiba révén beszökő kicsiny hő is óriási hőmérsékletnövekedést okoz az abszolút zérus fok környezetében.

Fontos deriváltak Gibbs-Helmholtz-egyenlet: Szabadenergia ( ) deriváltjai: Szabadentalpia ( ) deriváltjai:

Parciális moláris mennyiségek Tetszőleges X extenzív mennyiség parciális moláris X értékén a következő parciális deriváltat értjük: Beszélhetünk parciális moláris térfogatról, belső energiáról, entalpiáról, entrópiáról, szabadenenergiáról és szabadentalpiáról.

Parciális moláris mennyiségek A parciális moláris térfogat és entalpia ideális elegyben rendre megegyezik a tiszta összetevő moláris térfogatával és entalpiájával. A parciális moláris entrópia és parciális moláris szabadentalpia (azaz kémiai potenciál, μ) esetében az egyenlőség ideális elegyben sem áll fenn.

Kémiai potenciál, μ Definíciója: Többkomponensű és többfázisú rendszerben egy adott anyagfajta akkor van egyensúlyban, ha kémiai potenciálja minden fázisban ugyanaz. Ha ez nem teljesül, az adott anyagfajta az alacsonyabb kémiai potenciálú fázisba igyekszik átmenni. A tiszta anyag kémiai potenciálján – amelyet az egységes szemléletmód kedvéért értelmezünk – a moláris szabadentalpiáját értjük. Belátható, hogy:

A klasszikus termodinamika kritikája A klasszikus termodinamika szokásos prezentációi az időt nem tartalmazzák, viszont építenek a reverzíbilitás fogalmára. A reverzíbilitás fogalma önmagában is sok problémát vet fel. Mértékadó szerzők szerint (pl. Fényes Imre) a reverzíbilitással kapcsolatos fogalmi kérdések elkerülhetők, ha a klasszikus termodinamikát nem a hőből és munkából kiindulva alapozzuk meg. A kémiai termodinamikában azonban épp az e két mennyiségből kiinduló építkezés a jellemző.

A klasszikus termodinamika kritikája A fizikában meghonosodott értelemben nincs igazi dinamikáról szó, az állapotok időtől függetlenek, sztatikusak, az állapotokat összekötő reverzíbilis változások, folyamatok pedig nem valóságosak, hanem inkább elképzelt utak az állapotváltozók terében. A klasszikus termodinamikában nincsenek speciális dinamikai törvények, amikor a formalizmust mégis időbelinek tekintett folyamatokra alkalmazzuk, mindig feltételezzük, hogy az időben változó rendszerre, folyamatra a sztatikus esetben megismert formulák alkalmazhatók.

A klasszikus termodinamika kritikája Az infinitézimális mennyiségek (dU, dS, dT, stb.) matematikailag is kifogástalan használata olyan elméleti megalapozást igényel, amelyet a matematikusok csak az 1970-es évekre fejlesztettek ki (nemstandard analízis). Az anyagmennyiséget folytonos változónak tekintjük (pl. dn-nek csak így van értelme), holott a kémia részecskealapú szemléletet tart helyesnek, ezért a kifejezések nem használhatók néhány molekulából/atomból/ionból álló rendszerekben. A kémiai potenciált és a koncentrációt (aktivitást) összekötő, igen elterjedten használt képletek a koncentráció logaritmusát tartalmazzák, ezért egy komponens távolléte (nulla koncentráció) elvi értelmezési és numerikus problémákhoz vezet.

A klasszikus termodinamika kritikája A klasszikus termodinamika továbbfejlesztését célzó elméletek többé-kevésbé az említett hiányosságokat igyekeztek vagy igyekeznek kiküszöbölni, egyszer a logikai-matematikai szerkezetre másszor pedig a fizikai tartalomra összpontosítva. Irreverzíbilis folyamatok termodinamikája Racionális termodinamika, Sztochasztikus (statisztikus) termodinamika

Racionális termodinamika Póta György: Modern fizikai kémia (Digitális Tankönyvtár, 2013), 1.2 fejezet

Racionális termodinamika Alapját az a felismerés képezte, hogy a klasszikus termodinamika fogalmi és matematikai pontossága messze elmarad az egyéb fizikai diszciplinákétól, s ezen olyan módon lehet segíteni, ha visszatérünk az alapokhoz, s az egész termodinamikát – immár fogalmilag és matematikailag pontosan – újra felépítjük, figyelembe véve esetleg előremutató, de elfeledett eredményeket is.

Racionális termodinamika Hazánkban Érdi Péter és Tóth János – sztochasztikus termodinamikai kutatásaikhoz kapcsolódva – az elsők között alkalmazták és népszerűsítették a racionális termodinamika eredményeit. Clifford Ambrose Truesdell III (1919 – 2000) amerikai matematikus Bernard D. Coleman (1929 – ) amerikai fizikus Walter Noll (1925 – ) német származású amerikai matematikus

„Ugyanezen könyv ugyanezen olvasója azután elérkezik a termodinamikáról szóló fejezethez, ahol a TdS ≥ δq „axiómával” találja szemben magát. … Elárasztják olyan szavak arzenáljával, mint dugattyú, bojler, sűrítő, hőfürdő, rezervoár, ideális gép, tökéletes gáz, kvázisztatikus, ciklikus, egyensúly közelében, izolált, világegyetem… s azt várják a tudomány szegény diákjától, hogy ezekkel megtanuljon a hátralevő életében dobálózni, alig pontosabb retorikával, mint a háziasszony a fűszerboltban…” Clifford Ambrose Truesdell III

Feladatok A fosszilis üzemanyagokkal kapcsolatos ismert problémák miatt manapság sok tudós dolgozik azon, hogy ezek használatát hidrogénnel vagy metanollal váltsák ki. A hidrogén nem elsődleges energiahordozó, termelését más energiaforrásra, pl. nukleáris energiára vagy napenergiára támaszkodva kellene megoldani. A legjobb módszer vízből állítana elő hidrogént. Becsüljük meg, milyen hőmérsékleten válik a víz spontán bomlása termodinamikailag kedvezményezetté. Számoljuk ki, hány kWh elektromos áram szükséges 1 kg hidrogén előállításához 1,6 V cellafeszültség és 90% hatékonyság mellett. Mondjunk véleményt a folyamat gazdaságosságáról az elektromos áram és az ipari hidrogén jelenlegi árának ismeretében (0,10 euro/kWh az áramra és 2 euro/kg a hidrogénre).

Feladatok Az előállítás mellett a tárolás és szállítás is jelentős probléma. Ennek megítélése céljából definiáljuk egy energiahordozó térfogatra és tömegre vonatkoztatott energiasűrűségét. Számoljuk ki a hidrogén térfogatra és tömegre vonatkoztatott energiasűrűségét normál légköri nyomáson és 298 K-en. (Feltehetjük, hogy a hidrogén ilyen körülmények között tökéletes gázként viselkedik.)

Feladatok A hidrogén szállítását leggyakrabban 200 bar nyomásra feltöltött palackokban végzik. Egy nagy méretű palack acélból készül (sűrűsége 7,8 g/cm3), hasznos térfogata 50 dm3, üres tömege pedig 93 kg. Nagy nyomáson a hidrogén viselkedésének leírására a van der Waals egyenlet használható, a hidrogén esetében a = 2,48102 Pa m6mol2 és b = 2,66105 m3mol1. Számoljuk ki a nagy nyomású hidrogén tömegre és térfogatra vonatkoztatott energiasűrűségét.

Feladatok A hidrogént fém-hidridek formájában is lehet szállítani. A NaBH4 például megfelelő katalizátor jelenlétében vízzel reagálva hidrogént képez. Hány mol hidrogén nyerhető 1 mol NaBH4-ből? A víz elég gyakori anyag, ezért nem kell a fém-hidriddel együtt szállítani. Becsüljük meg a hidrogénforrásként használt NaBH4 tömegre és térfogatra vonatkoztatott energiasűrűségét. Az anyag sűrűsége 1,07 g/cm3.

Feladatok A következőkben hasonlítsuk össze az eddigi eredményeket hagyományosabb energiaforrások jellemzőivel is. Számoljuk ki a következő anyagok térfogatra és tömegre vonatkoztatott energiasűrűségét: Grafit (a kőszén modelljeként). Számoljuk a sűrűséget a grafitban lévő kötéstávolság (145,6 pm) és rétegek közötti távolság (335,4 pm) alapján. n-Oktán (C8H18 a benzin modelljeként). Sűrűsége 0,70 g/cm3. Metanol. Sűrűsége 0,79 g/cm3. Egy 1900 mAh-s, Ni-MH, AA méretű tölthető elem, amely 1,3 V feszültséget ad és henger alakú (átmérő: 14,1 mm, magasság: 47,3 mm, tömeg: 26.58 g).

Feladatok Természetes izotópeloszlású fém urán nukleáris reaktorok üzemanyagaként. Tegyük fel, hogy a hasadási reakció a későbbi-bomlásokkal együtt modellezhető a 235U  142Ce + 91Zr + 2n folyamattal. A szükséges relatív atomtömegek: Ar(1n) = 1,008665, Ar(91Zr) = 90,905644, Ar(142Ce) = 141,909241, Ar(235U) = 235,043924, Ar(238U) = 238,050784. Az urán-235 gyakorisága 0,72 %, a fém urán sűrűsége 19,1 g/cm3. A víz egy képzeletbeli fúziós reaktor üzemanyagaként, amely 1H-t alakít 4He-má. A szükséges relatív atomtömegek: Ar(1H) = 1,007825, Ar(4He) = 4,002603

Feladatok A hidrogént nagyon alacsony hőmérsékleten folyékony formában is lehet szállítani. Forráspontján (253 °C) mért sűrűsége 0,071 g/cm3. Becsüljük meg a folyékony hidrogén tömegre és térfogatra vonatkoztatott energiasűrűségét. A hűtési hatásfok elméleti maximumát figyelembe véve becsüljük meg azt, hogy a hidrogén teljes energiatartalmának milyen hányadának megfelelő munka szükséges a folyékony állapotba való alakítás során, ha a környezet 298 K hőmérsékletű.

Feladatok Metanolos tüzelőanyag-elemek már napjainkban is működnek. A bennük lezajló bruttó reakció: CH3OH (l) + 1,5 O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O (l) Írjuk fel a katód- és anódreakciót. Számoljuk ki a metanolos tüzelőanyag-elem maximális feszültségét 298 K-en.