JU UNIVERZITET U TUZLI
MAŠINSKI FKULTET
ODSJEK:PROIZVODNO MAŠINSTVO
TERMODINAMIKA I
(
Knjiga za usmeni ispit iz termodinamike I)
AUTOR: SPAHIĆ RAGIB
PROFESOR:MUHAMED BIJEDIĆ
JUNI,2007 GODINA
1
SADRŽAJ
TERMODINAMIKA I
1.UVOD
2.PROCESI S VODOM I VODENOM PAROM
3.PRIJENOS TOPLOTE
4.POLITROPE
5.POSEBNE POLITROPSKE PROMJENE
6.OTVORENI SUSTAVI
7.KRIŽNI PROCESI
8.NERAVNOTEŽNI I NEPOVRATNI PROCESI
9.IZMJENJIVAČI TOPLOTE
10.DIJAGRAMI ZA H
2
O
11.IDEALNI PLINOVI
12.TERMODINAMIČKI MODEL
13.ZRAČENJE
2
možemo zaključiti tek posrednim putem. Na primjer, lako možemo vidjeti da miješanjem
alkohola i vode nastaje otopina čiji je volumen manji od zbroja pojedinačnih volumena
alkohola i vode prije miješanja. To nas upućuje na zaključak da su tvari, u navedenom
primjeru alkohol i voda, sastavljeni od čestica (korpuskula - lat. = malo tijelo, čestica)
između kojih postoji prazan međuprostor.
Grčki mislilac Demokrit (460-357 g. prije Krista) bio je začetnik ideje da se tvari sastoje
od nedjeljivih čestica, atoma (grč. = nedjeljiv). Danas znamo da su atomi sastavljeni od
jezgre koja je građena od protona i neutrona, te elektrona koji se nalaze u složenom
gibanju oko jezgre (elektronski omotač). Postoji i čitav niz drugih elementarnih čestica
unutar atoma.
Promjer atoma je reda veličine 10
-10
m, dok je masa atoma približno 10
-26
kg.
Međusobnim povezivanjem atoma nastaju molekule različitih tvari, kao npr. vodika i
kisika ili spojeva poput vode, ugljičnog dioksida, alkohola i itd. Stoga možemo reći da je
molekula najmanja česticom neke tvari, jer se ona ne može dalje dijeliti na manje čestice
istog kemijskog sastava.
Na molekularnom nivou volumen čestica materije i ukupni volumen se razlikuju. To je
posebno slučaj kod materije u plinovitom agregatnom stanju kada je volumen čestica
materije zanemarivo malen u odnosu na prostor u kojem se molekule gibaju.
Na makroskopskom nivou zamagljuje se diskretna struktura i materija se smatra
kontinuirano raspoređena prostorom - kontinuum.
Masa i količina
Materija ima slijedeća svojstva: zauzima prostor (volumen, V), posjeduje svojstvo
inercije koje je povezano s masom m i podložna je utjecaju gravitacije, tj. ima težinu, mg.
Kako su volumen i masa svojstva tvari to su i gustoća
V
/
m
, kg/m
3
, i specifični
volumen
m
/
V
v
, m
3
/kg, također svojstva tvari.
Materiju opisujemo na dva načina, s pojmom mase ili količine. Masu označavamo s m, a
osnovna jedinica u SI sustavu je 1 kg. Oznaka za količinu je N, a osnovna jedinica je 1
kmol. Kod otvorenih sustava s protokom materije primjenjuje se pojam protočne mase
m
(kg/s) i protočne količine
N
(kmol/s).
Osnovna jedinica mase je jedan kilogram (1 kg), određen na međunarodnoj Generalnoj
konferenciji za utege i mjere 1901. godine. Pramjera jednog kilograma je valjak od
platine i iridija, sastava koji ne podliježe kemijskim reakcijama koje bi ga oštetile i
promijenile masu, a izrađena je 1799. godine. Čuva se u Sévresu kraj Pariza.
Količina (množina) omogućava kontrolu nad brojem molekula. Po definiciji količina 1
kmol sadrži 6,022∙10
26
molekula (do 1998. god. se koristio broj 6,023∙10
26
), bez obzira o
kakvim se molekulama radi, malim ili velikim. Taj broj molekula označava se ili kao
Loschmidtov broj, N
L
, ili kao Avogadrov broj, N
A
, s dimenzijom kmol
-1
. U kemiji se
obično koristi manja jedinica količine: 1 mol = 10
-3
kmol = 6,022∙10
23
.
Definiranjem jedinične količine: 1 kmol = 6,022∙10
26
molekula, vrijedit će jedinica za
pretvorbu:
4
kmol
1
molekula
molekula
10
6,022
kmol
26
26
10
022
6
1
1
,
.
(1)
Sada možemo proizvoljan broj molekula n preračunati na pojam količine N (kmol):
kmol
10
022
6
molekula
10
6,022
kmol
1
molekula
kmol
26
26
,
n
n
N
.
(2)
Potreba uvođenja pojma količine slijedi iz činjenice da se kemijske reakcije odvijaju na
razini broja molekula, bez obzira na njihovu masu. Pojam količine posebno je prikladan
pri opisivanju plinovitih i kapljevitih mješavina.
Broj molekula u 1 kmolu je uvijek isti za sve tvari i ne ovisi o temperaturi, tlaku ili bilo
kojem drugom vanjskom uvjetu. U slučaju plinova temperatura i tlak bitno utječu na
volumen 1 kmola.
Pri normalnom stanju, koje je definirano temperaturom 0
o
C i tlakom 1,0133∙10
5
Pa,
volumen 1 kmola plinova iznosi približno 22,41 m
3
. Na tome počiva uvođenje praktičnije
manje jedinice količine, koja je jednaka broju molekula sadržanih u 1 m
3
plina pri
normalnom stanju. Taj broj molekula u 1m
3
naziva se jedan normni kubni metar, 1
3
m
n
.
Proizvoljnu količinu s dimenzijom
3
m
n
označavamo s N
n
. Vrijedi odnos 1 kmol = 22,41
3
m
n
, na temelju kojeg je jedinica za pretvorbu dimenzija:
kmol
1
m
m
22,41
kmol
3
n
3
n
41
22
1
1
,
.
(3)
Preračunavanje količine N (kmol) u N
n
(
3
m
n
), ili obrnuto, vrši se prema relacijama:
N
,
N
n
41
22
, odnosno
41
22
,
/
N
N
n
.
(4)
Ta relacija vrijedi i kada su u pitanju protočne količine.
Do definicije broja molekula u 1 kmolu dolazi se na slijedeći način. Kao baždarna
jedinica mase, označena s a, odabrana je 1/12 mase atoma izotopa ugljika C
12
. Ona
iznosi a = 0,1660
10
-26
kg ( = 1 Da ,Dalton, jedinica ove mase uvedena je u novije
vrijeme u počast Johnu Daltonu). To znači da je masa samog atoma ugljika 12 puta veća:
m
C
= 12 a. Broj 12 se naziva molekularna masa ugljika, M
C
, koja uspoređuje masu
jednoatomne molekule ugljika, m
C
i baždarnu jedinicu mase, a:
a
/
m
M
C
C
, molekularna masa ugljika.
(5)
Po definiciji je molekularna masa M
i
tvari i, relativni pojam, pa stoga nema dimenziju.
Podaci za molekularne mase tvari mogu se naći u Toplinskim tablicama.
Ako s n označimo proizvoljni broj molekula tvar i, čija je pojedinačna masa jedne
molekule m
i
, tada je ukupna masa, m, jednaka:
5
Prema modelu ponašanja (teorijska podjela radi lakšeg proračuna) razvrstavamo tvari
na:
- idealne tvari; pojave na nivou molekularne strukture nemaju utjecaja na
makroskopska svojstva,
- realne tvari.
Granica sustava
može se postaviti tako da obuhvaća sve sudionike procesa (slika 1a), ili
tako da obuhvaćaju samo onu materiju za čije smo promjene stanja posebno
zainteresirani (slika 1b). Nije nužno poznavati identitet i svojstva materije izvan sustava,
ako su nam poznati efekti njene energijske interakcije, npr. toplinske ili mehaničke, sa
sustavom. Često se materija izvan sustava smatra okolišem (okolinom), koja nije nužno u
interakciji sa sustavom.
Granice sustava mogu za masu (odnosno tok mase) biti nepropusne (zatvorene) ili
propusne (otvorene), a za energijsku interakciju izolirane ili neizolirane. Pored toga, one
mogu obuhvaćati stalni ili promjenljivi volumen.
Slika 1a. Potpuno izoliran zatvoreni
sustav
Slika 1b. Neizoliran zatvoreni
sustav
Zatvoreni sustav
podrazumijeva skup materijalnih sudionika uvijek istog identiteta, tj.
kroz granice sustava nema protoka mase, m
s
=
konst.,(kg). Sva ostala svojstva,
uključujući i volumen, mogu se mijenjati tijekom procesa. Za nastanak procesa nužna su
najmanje dva materijalna sudionika različitog energetskog stanja, npr. sustav i okolina,
koji izmjenjuju toplinu Q (J) i mehanički rad W (J). Ovakav tip sustava koristi se u
klasičnoj termodinamici.
7
Ovaj materijal je namenjen za učenje i pripremu, ne za predaju.
