hello world

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Step 1: Isothermal Expansion (T constant, V 1 V 2 ) Since, Hence, Since V 2 >V 1 , so ΔQ 1 >0 Heat is added to the gas Carnot’s Process V 2 V 1 = p 1 p 2 p 0 V S1 S2 I II III IV v 1 v 4 v 2 v 3 Ideal Gas ΔU 1 = ΔW 1 + ΔQ 1 = 0 ΔQ 1 = −ΔW 1 dW = p V 2 V 2 1 2 dV = NkT dV V = NkT ln V 2 V 1 # $ % & ' ( V 1 V 2 ΔQ 1 = −ΔW 1 = NkT H ln V 2 V 1 # $ % & ' ( Every step is reversible Ideal Gas (Ideal Engine)

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Step  1:  Isothermal  Expansion  (T  constant,  V1  à  V2)  

         Since,        Hence,    Since  V2  >  V1  ,    

 so  ΔQ1  >  0        è    Heat  is  added  to  the  gas  

Carnot’s  Process       V2

V1=p1p2p  

0   V  

S1  

S2  I  

II  

III  

IV  

v1   v4   v2   v3  

Ideal  Gas  

ΔU1 = ΔW1 +ΔQ1 = 0

ΔQ1 = −ΔW1

dW = pV2

V2

∫1

2

∫ dV = −NkT dVV

= −NkT ln V2V1

#

$%

&

'(

V1

V2

ΔQ1 = −ΔW1 = NkTH lnV2V1

#

$%

&

'(

•  Every  step  is  reversible  •  Ideal  Gas  

(Ideal  Engine)  

Step  2:  AdiabaKc  expansion  (Th  à  Tc  ,  V2  à  V3)  

 Th  >  Tc        Since  ΔQ2  =  0  (AdiabaKc),    Recall,          Ideal  gas,  

         T,  V  independent  

Carnot’s  Process      p  

0   V  

S1  

S2  I  

II  

III  

IV  

v1   v4   v2   v3  

Ideal  Gas  V3V2

=ThTc

!

"#

$

%&

32

ΔW2 = ΔU2

dUdT

=Cv

ΔU =Cv (Tc −Th )

Cv =3Nk2

Step  3:  Isothermal  Compression  (T  constant  ,  V3  à  V4)  

                 Since  V4  <  V3  ,    

 so  ΔQ3  <  0      è    Heat  loss  from  the  gas  

   

Carnot’s  Process      p  

0   V  

S1  

S2  I  

II  

III  

IV  

v1   v4   v2   v3  

Ideal  Gas   V4V3=p3p4

ΔU3 = 0

ΔW3 +ΔQ3 = 0

ΔQ3 = −ΔW3 = NkTc lnV4V3

#

$%

&

'(

Step  4:  AdiabaKc  compression  (Tc  à  Th  ,  V4  à  V1)  

 Th  >  Tc          Since  ΔQ4  =  0,    

Carnot’s  Process      p  

0   V  

S1  

S2  I  

II  

III  

IV  

v1   v4   v2   v3  

Ideal  Gas  

V1V4

=TcTh

!

"#

$

%&

32

ΔW4 = ΔU4 =Cv (Th −Tc )

Overall:  Energy  balance:      Recall,    

       and    Hence,    Since,        

     è            

Carnot’s  Process      p  

0   V  

S1  

S2  I  

II  

III  

IV  

v1   v4   v2   v3  

Ideal  Gas   ΔUtotal = ΔQ1 +ΔW1 +ΔW2 +ΔQ3 +ΔW3 +ΔW4

V3V2

=ThTc

!

"#

$

%&

32 V1

V4=TcTh

!

"#

$

%&

32

V3V2

=V4V1

ΔQ1 = −ΔW1 = NkTH lnV2V1

#

$%

&

'(

ΔQ3 = −ΔW3 = NkTc lnV4V3

#

$%

&

'(

ΔQ1Th

+ΔQ3

Tc= 0

valid  for  any  REVERSIBLE  cyclic  process    

Overall:    

     Can  be  wriRen  as:        Entropy  (extensive  state  funcKon)      

               à  a  measure  of  disorderess  

Carnot’s  Process      p  

0   V  

S1  

S2  I  

II  

III  

IV  

v1   v4   v2   v3  

Ideal  Gas  ΔQ1Th

+ΔQ3

Tc= 0

valid  for  any  REVERSIBLE  cyclic  process    

δQrev

T!∫ = 0

dS = δQrev

T

Efficiency    

   SubsKtute….  

     …    

         Hence  if  ΔT  é,  η  é But  there’s  always  heat  loss  through  path  3

   So  η  <  1        

Carnot’s  Process      p  

0   V  

S1  

S2  I  

II  

III  

IV  

v1   v4   v2   v3  

Ideal  Gas  

ΔW = ΔW1 +ΔW2 +ΔW3 +ΔW4

η =Th −TcTh

η =1− TcTh

                 Hess’s  Law  •  ΔH  is  a  state  funcKon,  therefore,  independent  of  path  •  One  can  add  enthalpies  for  a  series  of  steps  to  get  the  desired  heat  of  

reacKon    

Thermochemistry    

A+B  

C  

E  

ReacKon  coordinate  

ΔE  A+B  

C  

ΔH  <  0  exothermic  

ΔH  >  0  endothermic  

Example:    Assume  ideal  mixing  (well-­‐mixed)    Breakdown  to  elementary  equaKon:    

Thermochemistry     2MgO(s)+ SiO2 (s)→Mg2SiO4 (s)

2Mg(s)+ Si(s)+ 2O2 (g)→Mg2SiO4 (s)

Mg(s)+ 12O2 (g)→MgO(s)

Si(s)+O2 (g)→ SiO2 (s)

2Mg(s)+ Si(s)+ 2O2 (g)→Mg2SiO4 (s)

2MgO(s)+ SiO2 (s)→Mg2SiO4 (s)

ΔHo  =  -­‐600.7  kJ  

ΔHo  =  -­‐910.6  kJ  

ΔHo  =  -­‐2174.2  kJ  

ΔHo  =  -­‐62.2  kJ  

2x  (-­‐)  

(-­‐)  

(+)  

T  dep.  of  ΔH  Given  ΔH(T1),  Cp(A),  Cp(B),  Cp(C),  Cp(D)    

Thermochemistry    

aA+ bB→ cC + dD

aA+ bB→ cC + dD

(T1)   (T1)  

(T2)   (T2)  

(1)  

(2)  

(3)  

(4)  

ΔH1 = ΔH4 +ΔH3 +ΔH2

ΔH4 = aCp(A)+ bCp(B)"# $%dT = − aCp(A)+ bCp(B)"# $%dTT1

T2

∫T2

T1

ΔH3 =W = ΔH (T1)

ΔH2 = cCp(C)+ dCp(D)"# $%dTT1

T2

Example:  H2O  (l)  à  H2O  (g)  at  1  atm,  373K  ΔHvap  =  9717  cal    (1  cal  =  4.2  joules)  Liquid  V  =  0.018  L  mol-­‐1  

Cp(l)  ≈  18  cal  mol-­‐1  K-­‐1  

Cp(g)  ≈  8  cal  mol-­‐1  K-­‐1  

Assume  ideal  behavior    Calculate  ΔH,  ΔU,  q,  W  when    1  mol  of  liquid  water  at  1  atm,  298  K(room  temp)      600  K,  1  atm  

Thermochemistry    

Δ,rev" →""Heat  slowly  

Entropy  of  a  reversible  process  is  constant,            dS  =  0  

Entropy  of  an  irreversible  process  in  an  isolated  system  which  evolves  towards  thermodynamic  equilibrium  always  increases  à  maximum  entropy  is  reached,  when  equilibrium  is  reached.  

         dS  >  0    Second  law,        dS  ≥  0    (  =  only  for  reversible  process)    

       

   

Second  Law    

ΔS = qT

1   2  q  

T1  >  T2  

       gives  heat,  ΔS  ê,  so  –ve    

                 gets  heat,  ΔS  é,  so  +ve  

   

ΔS1 =qT1

ΔS2 =qT2

ΔS1−2 = −qT1+qT2> 0

…  is  the  science  to  use  staKsKcal  techniques  to  connect  microscopic  behavior  with  macroscopic  properKes    Microscopic  scale  :      •  Approx.  1023  atoms/molecule  •  Each  has  at  least  6  degrees  of  freedom  (x,  y,  z,  px,  py,  pz)  •  Completely  intractable  •  MICROSTATE  –  exact  definiKon  (all  posiKons/momenta)  of  the  microscopic  

scale  

Macroscopic  scale:  •  p,  V,  T,  N,  Cv,  Cp  etc.  •  MACROSTATE  

StaKsKcal  Mechanics    

DefiniKon:  Ω  (N,  V,  E)  –  number  of  microstates  à  number  of  states  the  system  has  for  given  N,  V,  E      

Entropy  (Microscopic  InterpretaKon)    

A   B  

p = 12!

"#$

%&N

N  =  #  of  balls  

Vi  

Vf   One  atom:    N  atoms:        Vf  >  Vi  è  Ω(Vf)  >  Ω(Vi)    

ω(Vi ) = βVi

Ω(Vi ) =ω(Vi )N = (βVi )

N

Ω(Vf ) = (βVf )N

ProporKonality  factor  

Higher  probability  Lower  probability  

ConnecKng  S  to  Ω      Ωtot  =  Ω1  Ω2      S  =  S1  +  S2          Assume,  S  =  f(Ω)          è  S  α  ln  Ω            S  =  k  ln  Ω    where  k  =  kb  =  Boltzmann  constant  

The  entropy  is  a  measure  for  the  number  of  possible  microstates  of  a  system  when  a  macrostate  is  given    Arguments:  S  measures  “disorder”  Ω  increases  with  “disorder”  

Entropy  (Microscopic  InterpretaKon)    

       S  =  k  ln  Ω  Why  is  S  logarithmically  dependent  on  Ω?  Ω  measures  phase  space  volume  S  measures  our  lack  of  knowledge  going  from  microstate  to  macrostate    Microscopic  à  Macrostate      (S  is  the  negaKve  of  informaKon)    **  Phase  space:  Space  of  ___  dimensions,  spanned  by  all  posiKons  and  momenta,  energy  point  corresponds  to  a  microstate  of  the  system.    2nd  Law:  (a)  There  is  no  perpetual  movement  (perpetuum  mobile)  of  the  second  kind  –  

i.e.,  it  is  an  engine  which  transforms  heat  into  work  with  100%  efficiency  (b)  Each  isolated  macroscopic  system  wants  to  assume  the  most  probable  

state  (largest  #  of  microscopic  realizaKon  possibiliKes).  

Entropy  (Microscopic  InterpretaKon)    

Losing  informaKon  

S  (Vi)  =  k  ln  Ω(Vi)  S  (Vf)  =  k  ln  Ω(Vf)      

Entropy  

ΔS = S(Vf )− S(Vi )

= k lnΩ(Vf )− k lnΩ(Vi )

= k ln(βVf )N − k ln(βVi )

N

= kN lnVf

Vi

#

$%

&

'(

ΔS = R lnVf

Vi

"

#$

%

&'

                   So,      Constant  P,    Hence,      

Entropy  dS = dq

T

dS = dHT

dH = dU + pdV

dU = dq− pdV dS = dHT

dS = dHdT

1T!

"#

$

%&dT

dS =Cp

TdT

dSS(Ti )

S(Tf )

∫ =Cp

TdT

Ti

Tf

ΔS =Cp lnTfTi

!

"#

$

%&

S(Tf ) = S(Ti )+Cp lnTfTi

!

"#

$

%&

ΔS  

TfTi1  

Change  with  Cp  

S  à  0  as  T  à  0K  Third  law  of  thermodynamics:  “The  entropy  of  a  perfect  crystal,  at  absolute  zero  kelvin,  is  exactly  equal  to  zero”  It  is  impossible  to  reach  absolute  “0”  in  a  finite  number  of  steps  

 T  à  0k,      Cp,  Cv  à  0  From  0  to  Tf,          When  Tf  à  0  For  S(Tf)  à  0,  Cp  à  0    

Third  Law  

S(Tf ) = S(0)+Cp

TdT

0

Tf

S(Tf ) =Cp

TdT

0

Tf

S  

T  

Zero  slope  

Fundamental  thermodynamic  relaKon:    Systems  which  experiences  change  in  composiKon,  must  include  composiKon  variables…  Chemical  potenKal    where  ni,  ni…  are  the  number  of  moles  of  species  i,  j,…present  in  the  system    

Combining  1st  Law  and  2nd  Law  

∂G∂ni

"

#$

%

&'T ,p,nj ,...

= µi

∂G∂ni

"

#$

%

&'T ,p,nj ,...

=∂U∂ni

"

#$

%

&'T ,p,nj ,...

=∂H∂ni

"

#$

%

&'T ,p,nj ,...

=∂A∂ni

"

#$

%

&'T ,p,nj ,...

= µi

dU = TdS − pdV + µ∑ idni

dH = TdS +Vdp+ µ∑ idni

dA = −SdT − pdV + µ∑ idni

dG = −SdT +Vdp+ µ∑ idni

dU = TdS − pdV

   Because  all  the  natural  variables  of  the  internal  energy,  U  are  extensive  quanKKes,  from  Euler’s  homogeneous  funcKon  theorem,  

                                                 Euler’s  equaKon  

DifferenKal  of  Euler’s  equaKon,      Compare:  

                   Gibbs-­‐Duhem  relaKon  

Euler’s  EquaKon  

dU = TdS − pdV + µ∑ idni

U = TS − pV + µ∑ iNi

dU = TdS − pdV + µidi∑ Ni + SdT −VdP + Nid

i∑ µi

SdT −VdP + Nidi∑ µi = 0