Molul. Sistem termodinamic
Conceptia atomista a substantelor, potrivit careia orice substanta este formata din particule eterne si indivizibile, a fost formulata înca din antichitate de catre filozoficii greci LEUCIP si DEMOCRIT.
Combinarea elementelor in formarea substantelor este guvernata de :
Legea proportiilor definite - la formarea unui compus chimic, elementele se combina totdeauna, între ele, într-un raport de masa, riguros determinat.
Legea proportiilor multiple daca doua elemente pot forma mai multi compusi chimici, atunci cantitatile dintr-un element ce se combina cu aceeasi cantitate din celalalt element, se afla într-un raport întreg de numere mici.
Difuzia si miscarea browniana pun în evidenta faptul ca particulele constituente sau entitati elementare, atomi si molecule, se afla într-o continua miscare de agitatie termica, spontana si total dezordonata, haotica.
Pentru exprimarea maselor atomilor si moleculelor s-a ales, pentru a usura calculele, o unitate de masura convenabila, prin conventie internationala Unitatea atomica de masa reprezinta a 12-a parte din masa atomului C12 : 1u=1,66.10 -27kg
Masa atomica/ moleculara relativa, mr, arata de câte ori masa unui atom / molecule mo este mai mare decât unitatea atomica de masa: mr=mo/u
Astfel, cunoscând din tabele masa moleculara relativa, masa unui atom sau molecule poate fi scrisa astfel:
mo = mr u
Cantitatea de substanta este marimea fizica fundamentala ce masoara numarul de particule constituente dintr-un sistem fizic MOLUL reprezinta cantitatea de substanta a unui sistem ce contine atatea entitati elementare cati atomi sunt in 0,012 kg de carbon 12.
Numarul lui Avogadro este numarul de entitati elementare dintr-un mol de substanta. Este acelasi oricare ar fi substanta considerata NA=6,023.1023 mol-1
Masa molara µ este masa unui mol de substanta si se defineste astfel µ = m/ν , unde m este masa sistemului fizic iar ν cantitatea de substanta continuta de acesta.
Masa molara µ, exprimata in grame, este numeric egala cu masa moleculara relativa a subsantei.
Volumul molar Vµ reprezinta volumul ocupat de un mol de substanta Vµ = V/ν
Pentru gaze aflate in conditii normale de temperatura si presiune ( T0 = 273,15 K, p0 = 1,01325 105 Pa ) volumul molar este, aproximativ, Vµ = 22,4 10-3 m3/mol
Numarul volumic n reprezinta numarul de entitati elementare din unitatea de volum (1m3), n = N/V
Numarul lui Loschmidt este numarul volumic pentru gaze, in conditii normale de temperatura si presiune, n0 = NA/Vµ, n0 = 2,7 1025 m-3
SISTEM TERMODINAMIC
Sistemul termodinamic este un corp macroscopic sau ansamblu de corpuri macroscopice bine delimitat, format dintr-un numar foarte mare de entitati elementare.
Mediul reprezinta ceea ce este in exteriorul sistemului.
Sistemul termodinamic este :
- izolat daca nu interactioneaza cu mediul, nu schimba energie (mecanic si termic) si substanta (masa);
- inchis daca interactioneaza cu mediul si schimba numai energie, fara schimb de substanta;
- deschis daca interactioneaza cu mediul si schimba energie si substanta, ex. corpul omului
Starea sistemului reprezinta multimea valorilor parametrilor de stare la un moment dat.
Starea sistemului este de :
- echilibru termodinamic cand valorile parametrilor de stare raman constante in timp, poate fi reprezentata grafic;
- de neechilibru cand valorile parametrilor de stare variaza in timp.
Parametri de stare sunt marimile fizice ce caracterizeaza proprietatile fizice ale sistemului termodinamic.
Parametrii de stare sunt :
- intensivi daca isi pastreaza valoarea prin divizarea sau fragmentarea sistemului, fiind functii de punct;
- extensivi daca isi modifica valoarea prin divizarea sau fragmentarea sistemului, nefiind functii de punct.
Postulatul echilibrului termodinamic: un sistem termodinamic izolat evolueaza spontan si ireversibil spre o stare de echilibru termodinamic pe care nu o poate parasi de la sine.
Proces termodinamic sau transformarea de stare este fenomenul fizic ce consta in trecerea sistemului dintr-o stare in alta sau modificarea valoarii a cel putin unui parametru de stare in urma interactiunii.
Procesul termodinamic este :
- cvasistatic daca starile intermediare sunt stari de echilibru, variatia parametrilor de stare se produce atat de lent incat starile intermediare pot fi considerate stari de echilibru, poate fi reprezentat grafic;
- necvasistatic daca starile intermediare sunt stari de neechilibru;
- reversibil daca se produce in ambele sensuri prin aceleasi stari intermediare de echilibru (este si cvasistatic), schimband sensul de variatie al parametrilor de stare;
- ireversibil daca se produce intr-un singur sens sau cel putin o stare intermediara este de neeechilbru;
- ciclic daca starea finala si starea initiala coincid
TEMPERATURA
Schimbul de energie intre sistemele termodinamice si mediu se poate realiza prin contact mecanic cand schimba lucru mecanic L, prin contact termic schimba caldura Q sau prin ambele cand schimba L si Q.
Doua sau mai multe corpuri sunt in contact termic cand starile acestora se modifica datorita schimbului de caldura. Sistemele termodinamice aflate in contact termic, in absenta altor interactiuni, evolueaza catre stari care se pastreza sau stari de echilibru termic.
Sistemele termodinamice aflate in contact termic, in absenta altor interactiuni, ale caror stari se pastreza, nu se modifica, sunt in echilibru termic.
Echilibrul termic determina existenta unei relatii intre starile sistemelor, relatie ce satisface proprietatile de :
- reflexivtate
sistemul A este in echilibru termic cu sistemul A
- simetrie
sistemul A este in echilibru termic cu sistemul B, atunci si sistemul B este in echilibru termic cu sistemul A
- tranzitivitate
sistemul A este in echilibru termic cu sistemul B si sistemul B este in echilibru termic cu sistemul C, atunci si sistemul A este in echilibru termic cu sistemul C
Aceste proprietati stabilite experimental stau la baza introducerii temperaturii ca parametru de stare
Principiul zero al termodinamicii
Exista un parametru de stare intensiv, temperatura empirica, ce are aceeasi valoare pentru starile sistemelor termodinamice aflate in echilibru termic.
Sistemele termodinamice aflate în echilibru termic au aceeasi temperatura. Temperatura sistemului termodinamic care cedeaza caldura este mai mare decât temperatura sistemului care primeste caldura.
Termometrul este instrumentul cu care se masoara temperatura. Functionarea termometrului se bazeaza pe dependenta liniara dintre variatia temperaturii si variatia marimii termometrice (lungime,volum, rezistenta electrica,…), variatie sensibila pentru a fi observabila.
Etalonarea termometrului determina alegerea unei scari termometrice sau scari de temperatura. Scara de temperatura stabileste corespondenta intre valoarea masurata a marimii termometrice si valoarea temperaturii indicate de termometru.
A stabili o scara de temperatura insemna:
- a alege doua stari termice distincte observabile si usor reproductibile ale unui sistem termodinamic, carora li se asociaza prin conventie doua valori distincte ale temperaturii numite temperaturi de reper, obtinand un interval de temperaturi;
- a impartii intervalul de temperaturi la un numar intreg, ales prin conventie, obtinand unitatea de temperatura numita grad Scara Celsius are ca stari termice de echilibru prin conventie
- starea de echilibru termic a amestecului de apa pura si gheata la presiune atmosferica normala, careia ii corespunde valoarea 00C a temperaturii
- stare de fierbere a apei pure la presiune atmosferica normala, careia ii corespunde valoarea 1000C a temperaturii.
Gradul Celsius reprezinta a suta parte din intervalul de tempratura cuprins intre temperatura de topire a ghetii si temperatura de fierbere a apei pure la presiune atmosferica normala.
Scara Kelvin sau scara absoluta de temperatura este independenta de natura substantei.
Temperatura absoluta T exprimata in scara Kelvin este legata de temperatura t exprimata in scara Celsius prin relatia
T(K) = t(0C) + T0, T0 = 273,16K
