Termodünaamika. Entroopia. (Loeng 8) презентация

Содержание

Suurt ja olulist osa loodusenähtustest kirjeldatakse kui soojusnähtusi – neist tuntumaid – kehade erinev temperatuur, soojusülekanne, agregaatolekute muutused jt. Loodusteadustes vaadeldakse termodünaamikat kui makroskoopiliste soojusnähtustega toimuvaid muutusi. Eeldustena uurimistöö korrastamiseks on

Слайд 18. loeng.
Termodünaamika.
Entroopia.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 2Suurt ja olulist osa loodusenähtustest kirjeldatakse kui soojusnähtusi – neist tuntumaid

– kehade erinev temperatuur, soojusülekanne, agregaatolekute muutused jt.
Loodusteadustes vaadeldakse termodünaamikat kui makroskoopiliste soojusnähtustega toimuvaid muutusi. Eeldustena uurimistöö korrastamiseks on sõnastatud nn. termodünaamika seadused. Toome loengu alguseks need (neid on kolm) termodünaamika seadused või printsiibid siin ära nende ühel võimalikul kujul.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 3Termodünaamika 1. seadus (energia jäävuse seadus):
Energia ei teki ega kao, vaid

muutub ühest liigist teise.
Termodünaamika 2. seadus:
Soojus ei saa iseenesest minna külmemalt kehalt soojemale. On muidugi intuitiivne, et soojus kandub üle soojemalt kehalt külmemale. Entroopia määrabki soojusvahetuse suuna. See on vajalik, sest vastupidine protsess otseselt energia jäävuse põhimõtet ei riku.
Termodünaamika 3. seadus:
Absoluutne nulltemperatuur on saavutamatu.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 4Seega - termodünaamika on teadus, mis uurib soojuse vahekorda teiste energialiikidega
s.t.

termodünaamika on õpetus soojuse (energia) ja töö vahelistest seosest ning seetõttu vaatleb kõiki energialiike ja nende vastastikuseid muundumisi.
Termodünaamika alused kujunesid 19. sajandil eelkõige aurumasinate töö ja nendes masinates toimuvate protsesside tundmaõppimise baasil.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 5NB! Loomulikult on ka kõik keemilised protsessid, milles toimub soojuse (pro

ENERGIA) eraldumine või neeldumine automaatselt osa termodünaamikast, viimane aga toimub kõikides protsessides mis on keemilised, sest muidu neid ju lihtsalt ei toimukski (vt. 5. Loeng).
Ja ei toimuks neid protsesse seetõttu, sest puuduks ju potsentsiaalide vahe, millest osa protsessi toimumise kaudu degradeeruks soojuseks.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 6Kuid kõigepealt meeldetuletus sellest, mis on töö loodus- ja insenerteadustes.
Tööd

tehakse (füüsikalises mõttes) siis, kui liikuvale kehale mõjub liikumissihiline jõud. Kui kehale mõjub kogu tee s ulatuses jääv jõud Fs, siis avaldub töö järgmiselt:
A = Fss
ehk
töö = jõud × teepikkus

19. veebruar 2017. a.

Слайд 7Tööd mõõdetakse njuutonmeetrites (N×m). Tööühikuks on džaul (1 J)
1N×m = 1

J.
Kõige üldisemalt, et teha vahet, mis on töö ja mis on energia võib lähtuda järgmisest instruktsioonist:
energia on võime teha tööd ja töö on liikumine vastandjõu vastu.
Viimane kehtib eriti näitlikult mehhaanikas. Keemias ja füüsikalises keemias vaadeldakse tööna kõiki nähtusi mille tulemusena tekib muutus potentsiaalide vahes.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 8Kuna ajalooliselt on termodünaamika oma kujunemisperioodil suuresti tegelenud suhteliselt lihtsate inimese

poolt loodud termodünaamiliste süsteemidega, mis kannavad nimetust – aurumasinad, siis vaatleme neid sissejuhatuseks veidi lähemalt.
Soojus levib soojendilt jahutile (mida pole animatsioonidel kõikjal näidatud) ja süsteem teeb selle käigus tööd – antud juhul paneb auru paisumine kolvi liikuma – aur teeb paisumistööd.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 9Seega realiseerib aurumasinana (konverteerib tööks) – kirjeldatav termodünaamiline süsteem potentsiaalide vahe,

mida on võimalik ja mõistlik kirjeldada soojendaja ja jahutaja temperatuuride vahe kaudu. Selle potentsiaali 100% realiseerimine tööna (mis on võimatu) annaks masina kasuteguriks 100%.
Aurumasina ülesandeks on konverteerida soojusenergia mehhaaniliseks tööks, selleks adsorbeeritakse soojus soojendajalt ja suunatakse see jahutajale – tööd tehakse temperatuuride vahe arvelt.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 10Juhin tähelepanu asjaolule, et ka aine igasugune keemiline muutumine saab toimuda

ja toimub ainult siis kui eksisteerib potentsiaalide vahe – aurumasinate puhul on selliseks potentsiaalide vaheks temperatuuride vahe, mis moodustunud arukatla ja välikeskkonna vahel.
NB! Sisepõlemismootorites genereeritakse vajalik temperatuuride vahe töötsükli jooksul silindris endas, mille arvel toimub jällegi paisumistöö.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 11 Esimese töötava aurumasina ehitas prantslane Papin 1690. aastal. Aur tõstab paisudes

kolvi üles. Seejärel jahutatakse silindrit väljastpoolt külma veega. Aur silindris veeldub, tekib vaakum ning välisrõhk surub kolbi alla ning teeb tööd – temperatuuride vahed mille arvel tehakse tööd, on aga väikesed ja masina võimsus seetõttu madal, kasutegur, nagu ikka (ή=(T-T')/T).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 12 Watti aurumasina (1778) võimsus, ή=(T-T')/T, on samuti madal, kuid kasulikku

tööd tehes kasutakse auru paisumisel ära kolvi mõlemad liikumissuunad – masinast lahkuv aur on madalama temperatuuriga ja kasutegur seetõttu veidi suurem, kui eelmisel slidel oleval seadmel.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 13Ühekordse auru paisumisega juba täiustatud aurumasina rakendus, kuid ka see on

paratamatult väikese võimsusega, kuna temperatuuride vahe (T0/T1 ) on väike. Ühekordse paisumise puhul väljub silindrist suhteliselt kõrge temperatuuriga jääkaur (jääksoojus), seega on madal ka kasutegur ja väiksem masina väjundvõimsus.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 14NB! Kolmekordse auru paisumisega aurumasinad (seega - masinast väljuva auru temperatuur

on madalam) olid alates 19. sajandi keskpaigast purjekate abimasinaks ja hiljem aurikute masinateks kuni viimaste väiksemate aurikuteni 1960-ndate aastatel, olles tolle aja üheks edukamaks laevamasina tüübiks. Juba 19. saj. keskpaiku ehitatud masinatel oli võimsuseks 1000 ja rohkemgi hobujõudu.
Aurumasinaid hakati kasutama nende leiutamise algusest reeglina mäetööstuses.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 15Kolmekordese paisumisega aurumasin – temperatuuride vahe soojendaja ja jahuti vahel on

suurem (jahtumine toimub 3-mes silindris) kui eelnevatel slidedel olnud masinatel – kasutegur on seetõttu kõrgem ja masina väljundvõimsus suurem. Taolised aurumasinad olid laevadel kasutusel 19.saj. keskpaigast kuni 20. saj. 60…70-ndate aastateni.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 16Selgitus:
kolvi käigul alla kõigis kolmes silindris toimub auru(vee)molekulide kollektiivne liikumine –

aur paisub ja teeb tööd. Eelneval slidel oleva masina kolmandas silindris kolvi liikumise lõpuosas aur osaliselt kondenseerub ning silindrist väljub madala kvaliteediga energiat kandev ning jahtunud aur-udu – jääksoojus (mis on ka suhteliselt madala temperatuuriga ning osakeste liikumine kolmandas silindris juba korrapäratu).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 17Jääksoojuse mõistest paremaks arusaamiseks juhin tähelepanu, et kolmandast silindrist väljuvas aurus

ei ole enam ei osakeste “organiseeritud”, „kollektiivset“ korrapärast liikumist ja seega ei mingit kõrgema kvaliteediga energiat. Niisugust osakeste liikumist, kus energiakandjad on töö tegemiseks korrapäraselt organiseeritud – kolb aga surutakse silindris alla vaid osakeste korrapärase (suunatud) liikumise tulemusel – selle käigus molekulide liikumine aeglustub ja auru temperatuur langeb.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 18Kolmandast silindrist väljuv aur ei ole enam võimeline oma soojust tööks

konverteerima ning osakeste korrapäratu soojusliikumise käigus soojus hajub – aur kipub kondenseeruma uduks (veeks) ja nii ta aurulaevas kondensaatorisse suunataksegi ja sealt katlasse tagasi.
Nõndanimetatud läbitöötanud aurus on kõikide osakeste liikumine kogu nende ruumalas ühesugune, suuresti samasugune nagu see on ka jahutajas – energia kvaliteet on langenud.
Järelikult puudub jahutaja ja töötava keha vahel potentsiaalide (pro temperatuuride) erinevus – erinevus mille lahendamise arvel on võimalik teha tööd ning mille tulemusel suureneb töötava keha – s.o. auru (vee) osakeste korrastamatus. Seega masinast väljuvad gaasid (aur), udu kannab endaga kaasas jääksoojust (viimane kõlbab küll aga laeva kajutite kütteks, aga mitte rohkemaks).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 19Kvaliteetne energia – energia, mis teeb tööd, ehk auru töö kolvi

allakäigul – tehakse tööd temperatuuride vahe arvel – soojendaja ja jahutaja temperatuuride vahe arvel – kolvi käigul alla aur paisub, osakesed liiguvad korrapäraselt ning vastavalt paisumisele aur jahtub (vt. 7. loeng).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 20Jääkenergia – soojusenergia – ehk energia, mis väljub kolmandast silindrist –

osakeste liikumine on korrapäratu – osakeste liikumine on ühtlustunud kogu gaasi massis – selle eri osade vahel puuduvad liikumise (potentsiaalide vahed) erinevused.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 21Tööd on võimalik teha vaid potentsiaalide vahe arvel, soojusmasinates on selleks

potentsiaalide vaheks temperatuuride vahe
ή=(T-T')/T,
kus T- on soojendi temperatuur ja T' - on jahuti temperatuur ning
soojusmasina kasutegur on η ehk tööd tehakse energia kvaliteedi languse arvel ehk – kasutatakse ära temperatuuri (potentsiaalide) vahe
NB! Masina kasutegur ei saa kunagi olla 100% just sellepärast, et T' ei saa olla 00K, temperatuur mida on võimatu saavutada.



19. veebruar 2017. a.

Слайд 22Eelmisel slidel toodud valem annab ka vastuse küsimusele, miks on diiselmootori

ja turbiinide kasutegurid suuremad kui kolbide süsteemiga aurumasin. See aga, et suuremat temperatuuride vahet kasutav (pro potentsiaalide vahet) masin on suurema võimsusega, on näha juba järgmisel pildilt.
Suurem soojendaja ja jahutaja temperatuuride vahe on ka põhjuseks, miks on kõrgema surveastmega sisepõlemismootorite (kõrgem kütuse põlemise temperatuur silindris) võimsus ja kasutegur suurem ja miks on suurem ka auruturbiini võimsus kui see on kolbide süsteemiga aurumasinal.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 23Turbinia (Suur-Britannia), 1894, esimene aruturbiinlaev – juba ainuüksi pildilt on näha

auruturbiini (kasutatakse ülekuumendatud auru) suuremat võimsust ja kasutegurit võrreldes auru kolbmootoritega.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 24Kasuteguri piiriväärtuse algtingimusteks on:
1 – T0/T1.
Masina töös on oluline temperatuuride
pro

potentsiaalide vahe.
Aurumasinas on temperatuuride vahe suhteliselt väike võrreldes sellega, mis ta on diiselmootoris, gaasi- ja auruturbiinides jt.
See ongi olnud põhjuseks, miks aurumasinad tõrjuti välja masinate poolt kus töötemperatuur ja jahutaja temperatuuride vahe (pro potentsiaalide vahe) on suurem.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 25Soojusliikumine gaasides - jääksoojuses – tegemist on madalakvaliteedilise energiaga, osakeste liikumine

on kaootiline – ei mingit ühesuunalist liikumist mis oleks konverteeritav tööks.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 26Energia – soojendamisel katsutis olev materjal paisub ja selle kohal olev

kolb tõuseb – süsteem teeb (paisumis)tööd (NB! süsteemi temperatuur langeb) – osakesed liiguvad suunatult.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 27Töö – soojus – soojus konverteerub tööks just sellisel määral, kui

seda võimaldab temperatuuride vahe (potentsiaalide vahe) väliskeskkonna ja töötavas keha vahel – toimub nn. paisumistöö.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 28Põhimõtteliselt toimub analoogiliselt arumasinates ja sisepõlemismootorites energia kvaliteedi langus ka vesiratta

töös. Korrastatult voolav vee energia muudetakse mehhaaniliseks tööks ning vesirattal nn. läbitöötanud vee ebakorrapärasemalt voolavast veest ei ole enam mehhaanilise töö tegijat. Vesiratta töö jälgimiseks klõpsake palun all oleval ikoonil.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 29Energia kvaliteedi (q) muutus töö (W) tegemisel.
19. veebruar 2017. a.

Слайд 30Meeldetuletus järgneva paremaks mõistmiseks – Gaaside põhiseadused:
R- universaalne gaasikonstant
R =

8.314 J/mol× K

R = 0.082 atm× L/mol× K
R = 62400 mm Hg× cm3/mol× K


Kui ühikuteks on rõhk P [Pa]; mass m [g]; moolide arv n [mol], ruumala V [m3]; temperatuur T [K] siis R = 8.314 J/mol× K ja kehtib seos:


P V = n R T so. ideaalgaasi olekuvõrrand ka Clapeyroni-Mendelejevi võrrand
ehk

19. veebruar 2017. a.

Слайд 31Selgitus-meeldetuletus järgneva asjus.
1 cm3 gaasis on normaaltingimustel 2,68x1019 molekuli. See on

Loschmidti arv – sellest populaarsem on 22,7 (22,4 standarttingimustes) liitrit mooli kohta – Avogadro arv – selles mahus oleva gaasi mass – molekulide kogumass - on võrdne nii mitme grammiga, kui mitu ühikut on gaasi molekulmassis –
gramm-molekul – ehk üks mool gaasi.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 32Kuna keemia huvisfääris vaadeldakse osakesi (molekule, aatomeid), siis on lihtsam tegeleda

mitte grammide ja kilogrammidega, vaid moolidega. Seepärast kasutatakse ka Boltzmanni konstandi korrutist Avogadro arvuga – see näitab mõju mitte ühele molekulile, vaid ühele moolile (see oli eelmise,
7. loengu üks teemadest) – saame gaaside universaalkonstandi R.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 33Soojusliikumise juurde tagasi.
Ideaalse gaasi rõhk on võrdeline molekulide kulgliikumise keskmise kineetilise

energiaga (mis ilma siinjuures tõestust esitamata) on:
E = 2/3 k×T
ja
seega on gaasimolekuli keskmine energia võrdeline absoluutse temperatuuriga.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 34Kusjuures k on
BOTZMANNI KONSTANT.
k on universaalse gaasikonstandi (R) ja Avogadro

arvu jagatis.
Definitsioonivalem, k = R/NA. Botzmanni konstandi SI-ühik on üks džaul kelvini kohta.
[k] = 1 J/K.
SI ühikutes:
K = 1,38×10-23J/K.
Boltzmanni konstant seob energiaühikutes mõõdetavat temperatuuri Kelvinites mõõdetava temperatuuriga ehk töö hulga, mida tehakse ühe osakese kohta temperatuuri tõstmisel10 võrra.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 35Selgitus Boltzmanni konstandi asjus.
Iga kuupsentimeeter gaasi sisaldab 30 miljardit molekuli. Boltzmanni

(1844 – 1906) konstant määrab kindlaks kui palju muutub gaasi molekuli liikumise keskmine kineetiline energia gaasi temperatuuri muutumisel 10 võrra – ergides kraadi kohta. Boltzmanni konstant K on
1,38x10-16 erg/kraad.
Ja molekulide liikumisenergia vastavalt eelnevale on:
E= 2/3 K×T.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 36Seega -
R = 1,38x10-16 x 6,02x1023 = J/kraad x mool

–
see on kõikide gaaside jaoks universaalne konstant – kui palju muutub 1 mooli gaasi kõigi molekulide keskmine soojusliikumise energia gaasi temperatuuri muutumisel 1o võrra.
Seega on Boltzmanni konstant vaadeldav universaalse gaasi konstandina ühe molekuli kohta. See ühendab ja üldistab Boyle-Mariotte, Gay-Lussaci ja Charlesi seadused Claperont-Mendelejevi võrrandiks.
Ja nii lihtne see asi ongi.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 37Keha siseenergia on molekulide mikroskoopilise liikumisega seotud energia. Erinevalt mehaanilisest energiast,

mis avaldub makroskoopiliste objektidega, iseloomustab siseenergia objektide silmaga nähtamatuid omadusi, mis tekivad atomaarses ja molekulaarses skaalas. Näiteks ei oma klaasis olev vesi ruumi temperatuurile nähtavalt ei kineetilist ega potentsiaalset energiat. Mikroskoopilisel tasandil kujutab see aga suure kiirusega (sadu meetreid sekundis) liikuvate molekulide kogumit.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 38Mikrokoopiline energia ei pruugi muutuda, kui lisada vedelikule kineetilist energiat –

pihustada vedelikku, vedelike segamine jne.
Kuid lisandunud energia on jällegi madalakvaliteediline (kuigi vedeliku temperatuur võib tõusta), osakeste liikumine oli ja jääb kaootiliseks (korrastamatuks) just nii nagu see on jääksoojuseski.
Kehade siseenergia U moodustub molekulide liikumise kineetilisest energiast ja molekulide vastastikusest mõjust tingitud potentsiaalsest energiast.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 39Teisalt aga kehade siseenergia, mis väljendub molekulide liikumises suure kiirusega, seletab

seda vahet, miks on vaja “teha nii palju tööd”, et “tõsta keha temperatuuri nii vähe”.
Näiteks ühe vannitäie sooja vee saamiseks tuleks teha nädal aega kõva metsamehe tööd, sellist tööd mida vanasti tehti kirve ja saega. Eelnevat näidet saab iseloomustada ka võrdlusega – selleks, et saada vannitäis sooja vett on vajaliku töö hulk võimalik ümber arvestatud kineetilisele energiale
(E = mv2/2), mis tuleks anda vanniäie vee massile saavutamaks reaktiivlennuki kiirust. Ja see nõuab tõesti palju energiat – energia, aga see ongi ju võime teha tööd.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 40Vannivees on aga osakeste liikumiskiirus jagunenud lihtsalt paljude erinevate osakeste vahel,

mis liiguvad aga erinevates suundades ja ikka ühe vinge reaktiivlennuki kiirusega. Keha ise (antud juhul vannivesi) on seetõttu madalakvaliteedilise energia kandja kuna liikumine on korrastamata.
Energiat, aga mis on vajalik vee temperatuuri tõstmiseks, võib ette kujutada kui tööd vannivee kui keha liikumise kiirendamiseks reaktiivlennuki kiiruseni. Ja see on muidugi “kõva töö”. NB! Kui vee osakesed liiguksid aga kõik ühes suunas, oleks tegemist kõrgekvaliteedilise energiaga - osakeste korrastatud liikumisega.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 41Kui lämmastiku molekulid liiguksid ka suurima talvise külma ajal suunatult (korrapäraselt)

oleks tegemist lööklainega, mille energia oleks oluliselt suurem kui see, mis tekib tuumapommi plahvatusel ning Maal kunagi olnud suurimad orkaanid oleksid nende kõrvalt vaid tagasihoidlikud tuulekesed.
Muidugi, taoline hüpoteetiline võimalus annab ettekujutuse energiahulgast, mida soojus endaga potentsiaalset kaasas kannab ja tööks vajalikust korrastatuse määras, et tegevus (töö) saaks olla suunatud. Teisalt annab see ka ettekujutuse energia kvaliteedi (osakeste liikumise korrastatusest) olulisusest meie keskkonna kujunemisel.
Seega edu aluseks igas tegevuses on kord ja korrastatus.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 42Järgneval slidedel on veel mõned suurused, mis iseloomustavad eelpooltoodut soojuse ja

töö vahekorrast.
Lämmastiku temperatuuri tõstmiseks 100 kelvinilt 800 kelvinile on vajalik osakestele lisada liikumiskiirust pea kilomeeter sekundis (3600 km/h) – muidugi kulub selleks palju tööd, et genereerida niisuguseid kiirusi meile igati hoomatavale massile.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 43 Gaasiosakeste liikumiskiiruse jaotus N2 näitel erinevatel temperatuuridel.
19. veebruar 2017. a.

Слайд 44Näide: Vee pumpamiseks ja soojendamiseks kuluva energia võrdlus
Võib tunduda, et

kõrghoonete veevarustuses nõuab kõige rohkem energiat ja seega ka kulutusi, vee pumpamine ülemistele korrustele või looduses vihmapilvede tõstmine maapinna kohale. Teeme arvutuse, kus võrdleme energiat, mis kulub vee tõstmiseks ja soojendamiseks. Selgub, et selle energiahulgaga, mis kulub vee soojendamiseks 15.6 °C kuni 60°C võiks sama veehulga tõsta
19 km kõrgusele!
Ehk vee kukkumisel 420 meetri kõrguselt tõuseks tema temperatuur vaid ühe kraadi võrra.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 45Vabaenergia ja seotud energia.
Kuna aga keha siseenergia väljendub osakeste korrastamata liikumise

kaudu, siis tuleneb sellest, et süsteemi siseenergiat U pole võimalik täielikult tööks muuta.
Järelikult
võib siseenergiat vaadelda koosnevana kahest osast – vabast ja seotud energiast
U = Energiavaba + Energiaseotud
Ainult vabaenergia moodustab selle osa siseenergia varust, mida saab täielikult muuta tööks – selle kasutamine on tehniliselt teostatav.
Vabaenergiaga seotud küsimusi vaatleme veidi veel käesoleva loengu lõpus.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 46Temperatuuur on aatomite ja molekulide mikroskoopilises skaalas toimuva juhusliku liikumise keskmise

kineetilise energia mõõt.
Temperatuur iseloomustab kineetilist energiat molekulide liikumise ühe vabadusastme kohta (üles, alla, vasakule-paremale – kokku kolm).
Kulgliikumise korral on osakesel vabadusastmeid 3, pöördliikumine lisab veel ühe vabadusastme (jätke palun meelde, – see on oluline vedela ja tahke vee – jää -, soojusmahtuvuse erinevuse mõistmisel).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 47Kui lisandub ka osakeste pöördliikumine (nt. molekul koosneb kahest ja rohkemast

aatomist), siis lisandub vabadusastmeid ja molekulide liikumise keskmine kineetiline energia kasvab, s.t. samal temperatuuril on keha molekulide kineetiline energia suurem ehk mida keerukam on molekuli kuju, seda suurem on aine soojusmahtuvus.
Seda iseloomustab makroskoopiliselt aine soojusmahtuvus.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 48Soojusmahtuvuseks nimetatakse soojushulka, mis on vajalik antud ainekoguse temperatuuri tõstmiseks
1

kraadi võrra.
SI-süsteemi mõõtühik on J×K−1. Soojusmahtuvust võib väljendada ka ühikulise ainekoguse kohta, olgu selleks siis mass, ainehulk vms. Soojusmahtuvust moolides väljendatud ainehulga kohta nimetatakse ka moolsoojuseks. Soojusmahtuvust massiühiku kohta nimetatakse ka erisoojuseks.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 49Mida rohkem on osakeste liikumise võimalikke vabadusastmeid, seda suurem on ka

aine soojusmahtuvus.
NB! Jää (tahke vee) soojusmahtuvus(0,51 cal/g) on poole väiksem kui vedelal veel (1,0 cal/g) just seetõttu, et jääs pole võimalik veemolekulide pöördliikumine – molekulid on fikseeritud molekulaarvõresse vesiniksidemete kaudu.
Nii on ka metallide soojusmahtuvused suhtelised väikesed (metallides pole ju võimalik osakeste pöördliikumine), kohe kõvasti väiksemad kui on näit. on vee soojusmahtuvus.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 50Soojusmahtuvus sõltub nii aine olekust (mida võib määratleda nt. temperatuuri ja

rõhu kaudu) kui ka termodünaamilisest protsessist, milles aine osaleb. Soojusmahtuvust, mida mõõdetakse konstantse rõhu tingimustes, nimetatakse isobaariliseks soojusmahtuvuseks (Cp). Soojusmahtuvust, mida mõõdetakse konstantse ruumala tingimustes, nimetatakse isohooriliseks soojusmahtuvuseks (CV).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 51Süsteemi olekut iseloomustatakse olekuparameetritega ja olekufunktsioonidega;
Olekuparameetrid on mõõdetavad suurused, temp. T,

rõhk P, ruumala V, ainehulk n;
Olekufunktsioon on suurus, mis sõltub ainult süsteemi olekust (olekuparameetritest), mitte selle oleku saavutamise viisist (protsessi teest).
Olekufunktsiooni U (siseenergia) muut ΔU arvutatakse süsteemi alg- ja lõppolekule vastavatest olekufunktsiooni väärtustest, ei arvestata protsessi iseloomu.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 52Soojusliikumine tahkises – osakeste liikumine on piiratud (osakeste pöördliikumist ei toimu

– vedelike soojusmahtuvus on sageli suurem – osakesed saavad ka pöörelda) molekulidevaheliste jõudude poolt – liikumise parameetrid ( k.a.liikumise vabadusastmed) määravad aine soojusmahtuvuse.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 53Temperatuur ei iseloomusta kogu siseenergiat, vaid ainult siseenergia üht osa -

kineetilist energiat s.t. osakeste soojusliikumise kineetilist energiat
(E = mv2/2). Sama temperatuuriga kehad võivad seega omada erinevat siseenergiat. Seda iseloomustavad kehade erinevad erisoojused.
NB! Vee erisoojused.
Temperatuuri mõõtmiseks kasutatakse erinevaid skaalasid: Celsiuse, Kelvini, Fahrenheiti jt.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 54Soojuse mehhaaniline ekvivalent.
Soojuse ülekanne ja töö on mõlemad seotud energia

muutumisega.
Klassikalises eksperimendis aastal 1843 näitas James Joule töö ja soojuse ekvivalentsust, mõõtes vee soojenemist segamisel ja vee segamiseks kulutatud mehhaanilist energiat. Joule sai järgmise seose tol ajal kasutusel olnud soojuse ühiku kalor ja energiaühiku Joule vahel:
1 cal = 4,1868 J

19. veebruar 2017. a.

Слайд 55Soojus muudab keha siseenergiat ning soojuse arvel saab teha tööd, mida

väidabki termodünaamika esimese seaduse üks formuleeringutest:
ΔU = Q - A ,
ehk ja veelkord
energia ei teki ega kao, vaid muutub ühest liigist teise s.t. muutub vaid energia kvaliteet.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 56Et asi oleks veidi selgem, siis sõnastame eelneva lause (Energia ei

teki ega kao, vaid muutub ühest liigist teise) – järgmisel moel –
gaasile antav soojushulk on võrdne siseenergia juurdekasvu ning paisumisel tehtava töö summaga –
Q = ΔU + A
NB! Avaldis väljendub sisuliselt ka gaaside universaalkonstandi R kaudu


19. veebruar 2017. a.

Слайд 57Keha siseenergia (U) muutus on võrdne kehale juurdeantud soojuse (Q) ja

tehtud töö (A) vahega. Tööd tähistav liige võib valemis esineda nii pluss- kui miinusmärgiga, sõltuvalt sellest, kas tehakse välist mehhaanilist tööd või tehakse tööd keha enda oleku muutmiseks.
Termodünaamika esimene seadus väljendab üldist energia jäävuse seadust, mis ütleb, et energia ei teki ega kao, ta võib vaid üle minna ühest vormist teise.
Termodünaamika esimene seadus rakendab energia jäävuse soojuslikele ja termodünaamilistele protsessidele.
 

19. veebruar 2017. a.

Слайд 58Seega, tulenedes eelnevast sõnastame töö mõiste veidi üldisemalt järgmisel moel:
töö on

energiaülekanne süsteemile.
See protsess on ekvivalentne raskuse tõstmise või langetamisega. Süsteemi siseenergia muutub vastavalt süsteemi poolt tehtud tööga. Kui teisi muutusi ei toimu, siis
∆U = A

19. veebruar 2017. a.

Слайд 59Eelneva moraal tundub olevat kõige muu kõrval ka selles, et energiamajanduses

tuleb mehhaanilistele protseduuridele eelistada soojuse ülekandega seotud tehnoloogiaid, sest need on energeetilises mõttes palju efektiivsemad. Just niisamuti on asjalood atmosfääris ja meres toimuvates protsessides, kus suured kogused energiat vabanevad ja konverteeritakse liikumiseks (tuul, hoovused), mis tulenevad näiliselt väikestest temperatuurierinevustest.
Võrrelge palun veelkord soojuse ja töö ekvivalente (1 cal = 4,1868 J).



19. veebruar 2017. a.

Слайд 60Üks teeklaas bensiini kaalub 170 grammi, selle põlemisel vabaneb 1870 kilokalorit

– kilokalor vastab 427 kilogramm-meetrile tööle.
Seega 170 grammi bensiini põlemisel vabanev vastav tööhulk on 798490 kilogramm-meetrit. Järelikult saaks 170 grammi bensiini põlemisel saadava energia abil tõsta 798 tonnise raskuse tõsta 1 meetri kõrgusele.
Bensiini maht suureneb põlemisel 13000 korda.
Moodustunud gaasid paisuvad – jahtuvad paisumisel, “kaduma läinud” soojus, muutub (konverteeritakse) tööks.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 61Keemias – termodünaamika põhjendab ühe või teise protsessi võimalikkust või mittevõimalikkust

ja näitab kätte protsessi suuna.
Termodünaamika aluseks on energia jäävuse printsiip ?? erinevate energialiikide ekvivalentsuse printsiip, lisades siia juurde erinevate energialiikide kvaliteedi printsiibi.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 62Üheski loodusnähtuses ei saa energia jäljetult kaduda või eimillestki tekkida. Energia

saab minna ühest liigist teise, kusjuures need üleminekud toimuvad alati rangelt ekvivalentsetes vahekordades, kuid energia üleminekutega muutuvad ka soojuskandja (aine) osakeste omavahelised suhted ehk osakeste omavaheline korrastatus-mittekorrastatus.
See on loengu järgneva osa teemaks.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 63Märkus „energia tootmise“ kohta. Loodusteaduse mõttes on energia tootmine (täpselt samuti

nagu ka aine tootmine) muidugi võimatu. Oleme ka käeolevas loengus seda korranud kui termodünaamika esimest seadust - energia ei teki ega kao – kõik energia pärineb ikka ja alati Suurest Paugust. Muutub vaid energia kvaliteet (vorm). Energia „tootjad“ loovad ainult kohatist korrastatust mujal tekkiva korrastamatuse arvel kogudes kokku (kontsentreerides) hajutatud energia.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 64Korrastatus ja korrastamatus kui loodusseadus.
Täiendavalt mikroprotsessidele liigub keha kui tervik teiste

kehade suhtes ja omab makroskoopilist ehk tavalist kineetilist energiat.
Vastasmõju tõttu teiste kehadega on vaadeldaval kehal kui tervikul veel potentsiaalne energia (näit. Maa gravitatsioonivälja suhtes).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 65Need kaks – kineetiline ja potentsiaalne energia moodustavad keha tavalise (makroskoopilise)

mehhaanilise energia.
Mehhaaniline energia võib täielikult üle minna soojusenergiaks.
Ka soojusenergia võib omakorda üle minna mehhaaniliseks energiaks, kuid NB!, mitte kunagi täielikult.
Keha võib küll jahtuda, kuid saada jahtumise arvelt 100% mehhaanilist energiat ei ole võimalik.
Osa soojusenergiast jääbki soojuseks (nn. jääksoojuseks) - seda postuleeribki termodünaamika 2. seadus.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 66TERMODÜNAAMIKA 2. SEADUSE (Soojus ei saa iseenesest minna külmemalt kehalt soojemale.)

paremaks MÕISTMISEKS TOOME SISSE KORRASTATUSE-KORRASTAMATUSE MÕISTE - ENTROOPIA.
Energeetiliste üleminekute pöördumatuse astme hindamiseks kasutatakse mõistet ENTROOPIA (kreeka keelest en – sees, trope – pööre, muundus) mõiste looja-kasutuselevõtja on
Clausius 1854. a.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 67Rudolf Julius Emanuel Clausius (2. jaanuar 1822 – 24. august 1888)

oli saksa füüsik ja matemaatik, üks termodünaamika rajajatest, entroopia mõiste kasutuselevõtja.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 68Ja veel termodünaamika 2-sest seadusest:
Soojus ei saa iseenesest minna külmemalt kehalt

soojemale.
Tunneme muidugi intuitiivselt, et soojus kandub üle soojemalt kehalt külmemale, aga just entroopia määrabki soojusvahetuse suuna. Seda tuleb looduses toimuva mõistmiseks alati arvestada. Kuigi-kuigi vastupidine protsess otseselt energia jäävuse põhimõtet ei riku – seetõttu eeldabki soojusvahetuse suund veel mõningate seaduspärasuste olemasolu.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 69Energia kvaliteeti iseloomustab hästi ka Teile juba hästi tuntud lühike käesoleva

loengu video „Reaktsiooni aktivatsioonienergia analoogia“, video sellest kuidas mees upitab suurt kivi üle takistuse. Takistuse kohal on kivi potentsiaalne energia ja energia kvaliteet maksimumis ning takistuselt alla veeredes muutub see soojuseks.
Energia jäävuse seaduse nõuded on täidetud, kuid tekkinud soojuse abil kivi tagasiupitamine üle tõkke on võimatu. Energia kvaliteedi vahe peaks olema sellest videost hästi ettekujutatav – millal liiguvad kivi osakesed korrapäraselt (kivi üle tõkke lükates) ja kuidas liiguvad osakesed temperatuuri tõustes, liiguvad kiiremini seetõttu, et osa kivi potentsiaalsest energiast konverteerub soojuseks kui kivi üle tõkke kukkudes.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 70Entroopia on termodünaamikas kasutatav ekstensiivne suurus, mis kirjeldab vaadeldava süsteemi erinevate

võimalikku (osakeste) juhuslike ümberpaigutuste arvu.
Tihti öeldakse, et entroopia mõõdab "korratust". Protsessidele, milles entroopia kasvab, vastavad pöördumatud muutused süsteemis, mis vähendavad süsteemi võimet teha tööd, sest osa energiast on pöördumatult muundunud soojuseks ehk ebakorrapäraseks liikumiseks (ehkki liikumine pro energia ei kao).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 71Entroopia on üks termodünaamika (ja kogu loodusteaduste) põhimõistetest. Selle muudab oluliseks

termodünaamika teine seadus, mille järgi ei saa isoleeritud süsteemi entroopia kunagi (iseenesest) kahaneda.
Seega saavad iseeneslikud protsessid isoleeritud süsteemis toimuda vaid entroopia kasvamise suunas ehk
süsteemi korrastatus ei saa tekkida iseenesest.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 72Protsessid, milles entroopia kahaneb, saavad toimuda vaid siis, kui süsteem teeb

tööd.
Nii saab soojus iseeneslikult kanduda vaid soojemalt kehalt külmemale.
Selleks, et käivitada vastupidine protsess, kus soojus kandub külmemalt kehalt soojemale, tuleb teha tööd (vaadake palun töö ja energia määratlust
1. loengust).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 73Entroopia ja termodünaamika 2 seadus.
Iseenesliku protsessi toimumise tulemus looduses on protsessi

tasakaaluolek (potentsiaalide vahe kadumine).
Protsesside toimumise võimalikkuse, nende võimalikkuse puhul nende suuna ja tasakaaluolekud määratlebki termodünaamika
2 seadus:

19. veebruar 2017. a.

Слайд 74kõik protsessid looduses toimuvad iseenesest ainult ühes suunas, soojus läheb iseenesest

ainult kõrgema temperatuuriga kehalt madalama temperatuuriga kehale kusjuures aine
korrastamatus suureneb.
ΔS ? max,
kus S on korrastamatuse ehk entroopia määr.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 75Spontaanne (iseeneslik) protsess – soojus läheb iseeneslikult üle soojemalt kehalt külmemale,

kusjuures nn. algseisu korrastatud temperatuuri jaotus kehas asendub korrastamata, juhusliku jaotusega. Video: Soojusmasinate kasutegurid ja entroopia.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 76Töö – soojus – paisumisel gaas jahtub, tehes tööd – keha

siseenergia väheneb, ning osakeste liikumise korrapäratus suureneb.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 77Seega on termodünaamika II seadus sõnastada ka järgneval moel:
soojus ei saa

iseenesest üle minna külmemalt kehalt kuumemale, ükskõik missugused vahepealsed protsessid või energia muundumised seejuures toimuksid
EHK
energia kandub alati kõrgema potentsiaaliga süsteemilt üle madalama potentsiaaliga süsteemile, kusjuures see ülekandumine kestab seni, kuni saabub termodünaamiline tasakaal.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 78Tõenäosus, et gaasiga täidetud anuma mõlemas pooles on ühepalju osakesi, on

alati suurim ja mida rohkem on osakesi, seda väiksemaks jääb ebavõrdsete jaotuste tõenäosus.
L. Boltzmann seostas taolise olukorra kirjelduse entroopia väärtusega ja väljendas vastava oleku tõenäosust matemaatiliselt, millest tulenes sellest, et
maksimaalse entroopiaga olekule vastab alati suurima tõenäosusega olek.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 79Spontaanne (iseeneslik) protsess – aine hajub – hajutatud olek (korrastamata olek)

on suurema tõenäosusega kui korrastatud aine olek.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 80Suurima tõenäosusega oleku saabumisel on tulemus universaalne: see kehtib nii erinevate

gaaside segunemisel kui ka erineva temperatuuri jaotusega süsteemide ühinemisel, erinevate liikuvate kehadega süsteemi jne ühinemisel.
Selle tõttu toimub temperatuuride ühtlustumine ja soojuse üleminek kuumemalt kehalt külmemale, erinevate kehade liikumishulkade ühtlustumine.
Ka vastupidised protsessid on statistiliselt võimalikud, kuid molekulide väga suure arvu tõttu ülimalt väikese tõenäosusega.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 81Mittepöörduv protsess. Kui kambreid A ja B ühendav kraan avada, arvestame suurima

tõenäosusega, sellega, et ühtlustuvad kambrites nii rõhud kui temperatuurid. Vastupidise protsessi esile kutsumiseks on vaja väljastpoolt tulevat mõjutust (gaas tuleb tagasi pumbata – tuleb teha tööd).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 82Seletus eelneva osas.
Igasuguse molekulide jaotuse tõenäolisus on võrdne. Kuid neid tõenäosusi

on väga palju. Näide – 10 valikuvõimalusest seitsme etteantud järjestuse juhuslikke kombinatsioone on 107, järelikult on ühe suvalise kombinatsiooni tõenäosus üks miljondik.
Aga kui 1 cm3 õhus on 2,68 x 1019 molekuli, siis on kaotab mõtte teha vahet sõnadel “äärmiselt ebatõenäoline “ ja “võimatu”.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 83Eelneva illustreerimiseks – kujutage ette, et teil on anumatäis musti ja

valgeid kuulikesi, mis on laotud kasti – mustad all ja valged pealpool. Kui Te segate kuulikesed omavahel läbi, siis iga kuulide jaotus on võrdtõenäoline, kaasa arvatud jaotus, kus valged ja mustad kuulid on jaotunud kaheks kihiks.
Kui arukas oleks loota, et kuulikeste segamisel moodustuks eelneva pöördjaotus - kõik valged kuulid oleksid all ja mustad nende peal.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 84Valgete ja mustade kuulikeste jaotumist kihiti võib vaadelda kui kõrge korrastusastmega

süsteemi seisundit ja olukorda, kus kuulikesed on jaotunud ebakorrapäraselt, olukorraga mis on realiseerunud – entroopia on suurenenud ja väljastpoolt energiat rakendamata (tööd tegemata välise energia arvel) ei ole võimalik endist korrastatud olukorda taastada.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 85Entroopia määra põhivõrrand on:
S = k×lnW,
kus
k on Boltzmann’i konstant

(sisuliselt gaaside universaalkonstant ühe molekuli jaoks – tema väärtus 1,381 × 10-23 J×K-1) ja W on positsioonide arv, kuidas molekulide paigutus saab antud temperatuuril korrastuda.
Kui suureneb W, suureneb ka S (entroopia), kuid nende seos on logaritmiline.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 86
Suurus W on aatomite ja molekulide võimalike paiknemiste arv, mis kõik

vastavad samale energiale. Iga molekulide paigutus aines on omanäoline, teistest erinev see, mida kutsutakse mikroolekuks; seega on W samale energiale vastavate erinevate mikroolekute hulk. Iga mikroolek kestab vaid hetke. Kui mõõdame süsteemi omadusi, määrame seega mõõtmise ajal olnud mikroolekute keskväärtust.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 87Boltzmanni valemi järgi arvutatud entroopiat nimetatakse statistiliseks entroopiaks.
NB! Kui süsteemis molekulide

hulka kahekordistada, suureneb mikroolekute hulk W?W2
ja entroopia k×lnW-st ? k×lnW2-ks
(või 2k×lnW-ks)

19. veebruar 2017. a.

Слайд 88SEEGA
määratletakse entroopiat tõenäosuse (mikroolekute) W (tegemist on korrastatuse-mittekorrastatusega) kaudu Boltzmanni võrrandi

abil:
S= R/NA × lnW,
kus R on universaalne gaasikonstant,
NA - Avogadro arv,
R/NA =1,38.10-23 J/K×mol -
ongi entroopia mõõtühik.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 89Positsiooniline korrastatus-korrastamatus aines (CO). Kui aines on N molekuli, siis on

võimalik võimalikku 2N sama energia paigutust – järelikult sõltub entroopia määr ka viimasest.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 90L. Bolzmann’i (1844 -1906) hauasammas Viinis – tähelepanu entroopia määratlusele valemina

tema hauasamba ülaosal.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 91Miks muutub korrapärane mehhaaniline liikumine korrapäratuks soojusliikumiseks?
Põhjus on oleku tõenäolisuses –

korrapäratu liikumise tõenäosus on lihtsalt suurim.
Loodusseadus - termodünaamika teine seadus ütleb: kõik looduslikud protsessid kulgevad nende olekute tõenäosuse kasvamise suunas. Eelnevat võib sõnastada kui entroopia iseenesliku kasvamise seadust ehk jällegi – suurima tõenäosusega oleku saavutamist.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 92Entroopia kasvamise seadus on tähtsaim loodusseadus – temast järeldub ka see,

et teist liiki igavese jõumasina ehitamine on võimatu, või ja mis on seesama, et
kehad püüdlevad iseenesest tasakaaluolekusse (st ei ole võimalik luua tasakaalustamatust - potentsiaalide vahet - ilma väljastpoolt süsteemile energiat lisamata).
Entroopia (korrastamatuse) iseenesliku kasvamise seadus ongi termodünaamika teine seadus.
Esimene on energia jäävuse seadus, mis toimib sõltumatult termodünaamika teisest seadusest.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 93Töö – soojus – paisumisel gaas jahtub, tehes tööd – keha

siseenergia väheneb, osakeste liikumise korratus suureneb. Nähtus iseloomustab termodünaamika teist seadust – süsteemi koguenergia ei muutu, küll aga toimub pöördumatu protsess – entroopia suurenemine.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 94Gaasi paisumisel entroopia (korrastamatus) kasvab logaritmiliselt (lnW).
19. veebruar 2017. a.

Слайд 95Energia jäävuse seadus on mehhaanika seadus, sellele alluvad tingimusteta nii suured

kehad kui ka üksikud aatomid ja molekulid. Mis puutub entroopia kasvamise seadusse, siis kehtib ta küllalt suure osakeste kogumi korral, kuid üksiku molekuli jaoks ei saa seda formuleerida.
Seega - termodünaamika teine seadus on statistilise iseloomuga (see märgibki tema seost suure osakeste hulgaga), aga see ei vähenda mingil määral tema tähtsust ega täpsust.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 96Eelnevast tulenebki, et oma olemuselt on termodünaamika seaduspärasustest – vaid termodünaamika

I seadus – energia jäävuse ja muundumise seadus - universaalne.
Termodünaamika II seadus ja III seadus (viimase lihtsaim formuleering - temperatuuri absoluutne nullpunkt on saavutamatu) on oma loomult statistilised, neist viimane veel kvantteoreetilise päritoluga.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 97Entroopia kasvamise seadus määrab protsesside kulgemise suuna.
Selles mõttes on entroopia looduslike

rikkuste ülemjaotaja, aga energia on looduse raamatupidaja.
(entroopia – töö mõõt)

19. veebruar 2017. a.

Слайд 98Entroopia kasvu seadus tähendab süsteemide üleminekut maksimaalse tõenäosusega olekusse. Selles seisnebki

termodünaamiliste protsesside pöördumatus.
Selles seisneb ka loodusteaduste jaoks fundamentaalne tõsiasi – aeg on asümmeetriline.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 99Viimane tõsiasi on aluseks olnud Maailma kujunemiseks selliseks nagu ta on

oma mitmekesisuses ja selle mõistmine on olnud üheks lähtepunktiks relatiivsusteooria loomisel, kvantmehhaanika kujunemisel ja muidugi evolutsiooniteooria väljajoonistumisel juba
19-nda saj. keskel - Ch. R. Darwin – tema peateos “Liikide tekkimine…” 1859. aastal.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 100Just paljukomponendiliste süsteemide üleminek suurema statistilise tõenäosusega olekusse määrabki
aja kulgemise

suuna - nn. ajanoole ehk
sümmeetria
puudumisele fundamentaalsetes protsessides ehk kõik süsteemides toimuvad muutused on suunatud suurima tõenäosuse saavutamisele.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 101Mida keerukam on süsteem, mida korrapärasem ta on, seda väiksem on

tema entroopia ning seda tõenäolisem on tema iseeneslik lagunemine.
Keerulised süsteemid ei teki iseenesest (õigemini - nende iseenesliku tekke tõenäosus on kaduvväike), neid saab ehitada-luua ainult ümbritseva keskkonna entroopia kasvu arvel.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 102Seega - jah, energiat on võimalik kontsentreerida, koguda kokku ruumis hajutatud

energiat, näiteks vett hüdroelektrijaam tammi taha, keerata üles kella vedru jne. Oma olemuselt sarnaneb see maavarade tootmisega, protsess milles hajutatud materjal kogutakse kokku – kuld, kivisüsi, uraan jne.
Kütuse põletamise kaudu – soojusenergia – tekitatud potentsiaalide vahe arvel tehakse tööd (s.o. korrastatuse loomise kaudu) luuakse näiteks elektronide korrastatud jaotus ehk igapäevakeeles - soojuselektrijaam „toodab“ elektrienergiat – elektronide (laengute) korrastatust mida tuleb ja saab tõkete, „elektronide tammide“ (isolaatorite abil) ka koguda. Loomulikult on selleks ka teisi viise.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 103Ja veel „energia tootmise“ asjus:
teame eelnevast, et Maailm koosneb mateeriast ja

kiirgusest (energiast) ja sedagi, et
mateeria erinevaid vorme nimetatakse aineteks.
Aine ja energia on aga loodusteaduste jaoks ühe ja sama materjali kaks vormi.
Ainet saab iseloomustada massi kaudu (ainet saab kaaluda), mass aga on rangelt võrdeline energiaga (E = m×c2).
Seega „toota“ ei saa me ühte ega teist – me vaid saame neid kontsenteerida ja muuta nende kvaliteeti.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 104Siit ja seega saame sõnastada 4 ajatut printsiipi, mis tulenevad ajast

ja entroopiast.
Printsiip A. Aeg on fundamentaalne suurus. Aja toime on kõige elementaarsem protsess looduse, mille kaudu luuakse olemasolevatest sündmustest uued sündmused. Põhjuslikkus tuleneb otseselt aja pöördumatust olemusest.
Printsiip B. Ajal on fundamentaalne suund. Tulevik areneb oleviku olemisest, puuduvad põhjuslikud silmused või piirkonnad, kus aeg „edeneb tagurpidi“. Fundamentaalsed seadused, mis arendavad tulevikku olevikust, on pöördumatud – minevikku seisundeid ei saa konstrueerida oleviku seisunditest.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 105Printsiip C. Objekti  aeg-ruumi omadused või sündmused tulenevad selle suhetest teiste

dünaamiliste objektidega. Kõigil aegruumi omadustel on dünaamiline päritolu.
Printsiip D. Energia on fundamentaalne. Energia ja liikumishulk (moment) ei ilmu välja aegruumist, pigem on tõene vastupidine. Aegruum ilmub välja fundamentaalsemast põhjuslikust ja dünaamilisest olekust, kus energia ja moment on algsed.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 106Näiteid entroopia muutumisest.
Entroopia kasv ΔS > 0 toimub
sulamisel, aurustumisel, lahustumisel, temperatuuri

tõstmisel (intensiivistub osakeste kaootiline liikumine), reaktsioonid, kus gaasiliste ainete hulk (maht, moolide arv) kasvab;
Entroopia kahanemine ΔS < 0 toimub
gaasi veeldumisel, tahkestumisel, gaasiliste ainete mahu vähenemisel.
Korrastatuse suurenemine ja vähenemine reaktsioonide käigus:
C(s) + O2(g) → 2CO(g) ΔS > 0
3H2(g)+ N2(g)→ 2NH3(g) ΔS < 0

19. veebruar 2017. a.

Слайд 107Jää sulab ? korrastatus väheneb ? entroopia suureneb.
19. veebruar 2017. a.

Слайд 108Jääkentroopia jääs. Igal vee molekulil kaks pikka ja kaks lühikest vesiniksidet

– sidemete erinevad paigutused suurendavad jää võimalikku entroopiat, jää struktuuri korrastamatust. Pikemate sidemete osakaal suurendab jää entroopiat – sidemete lõhkumine (jää sulamine, vee aurustumine) aga veelgi enam.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 109Tahke aine sulamisel korrastatus väheneb – entroopia suureneb.
19. veebruar 2017. a.

Слайд 110 Ja lisaks veel mõned Murphy seadustest, seadused, mille kehtivust, elu

(kahjuks) igapäevaselt kinnitab. Neist esimene ja oluliseim: Kui midagi saab untsu minna, siis ka ta läheb.
Ja järgnevalt tuletis sellest: Kui midagi ei saa untsu minna, siis midagi ikka läheb.
Sealt siis Murphy filosoofia: Naeratage... homme on veel hullem.
Ja edasi - Murphy konstant: Asjad purunevad võrdelises seoses nende väärtusega.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 111Entroopia – kordame üle.
Seotud energia moodustab süsteemi siseenergia selle osa, mis

ei ole tööks muudetav – selle osa energiast üleminek on võimalik ainult soojuseks, millena ta ka hajub.
Vabaenergia sisaldub süsteemis potentsiaalse energiana – kui süsteem teeb tööd, siis vabaenergia hulk väheneb (spontaanselt - iseeneslikult) – entroopia on vaadeldav tehtud töö mõõduna.
Näide:
gaas on suurema rõhu all võimeline tegema rohkem tööd kui gaas väiksema rõhu all.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 112Tööd iseloomustab osakeste korrapärane kollektiivne liikumine, soojust aga kaootiline liikumine.
Töö

iseeneslikku üleminekut soojuseks võib seetõttu käsitleda molekulaarse süsteemi üleminekuna osakeste korrapäraselt liikumiselt suurema tõenäosusega korrapäratule liikumisele.
Entroopiat võib vaadelda kui osakeste soojusliikumise kaootilisuse mõõtu ja vabaenergiat kui “kättesaadavat” energiat.
Näide: lõhkeaine plahvatas – moodustunud osakesed on stabiilsemad, paiknevad korratult, lõhkeaines olev energia oli aga kergesti “kättesaadav”. Keerate kella ülesse – vedrus elev energia on kergesti „kättesaadav“.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 113Mitte mingil juhul ei saa isoleeritud makrosüsteemi entroopia iseeneslikult väheneda.
Siiski

ei tähenda see seda, et protsessid, millega kaasneb entroopia vähenemine on võimatud, aga nende esilekutsumiseks peab toimuma soojusvahetus (energiavahetus) ümbritseva keskkonnaga ning ärge unustage, et iga süsteem minimiseerib oma energeetilise taseme, nähtus, mis otseselt tuleneb termodünaamika teisest seadusest.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 114Suletud ja avatud süsteemid.
19. veebruar 2017. a.

Слайд 115Entroopia.
Seega – suletud süsteemis, milles
T = const ja V =

const,
saavad toimuda ainult protsessid, mille puhul vabaenergia väheneb, s.o. entroopia suureneb - sellised protsessid on pöördumatud.
Järelikult
on entroopia muutus isoleeritud süsteemis protsessi pöördumatuse kvalitatiivseks mõõduks.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 116Maailm tunneb vaid üht süsteemi, kus toimub struktuuri “iseeneslik“ üleminek lihtsamalt

(suure tõenäosusega) olekult keerulisemale (väiksema tõenäosusega) olekule.
See süsteem on elusloodus.
Termodünaamika seaduste ilmne rikkumine eluslooduses on tänapäeva teaduse seisukohalt tingitud informatsiooni kogumisele ja kasutamisele programmeeritud juhtsüsteemist, mis, töötades molekulaarsel tasemel, säilitab (arenemisvõimeliste liikide kujul) just madalama entroopiaga seisundeid.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 117Elu Maakeral, kogu fossiilkütuste põletamisel põhinev energeetika on võimalik vaid fotosünteesi

poolt genereeritud hapendajate (O2) ja taandajate (CH2O) omavahelise redokspotentsiaalide erinevuse tõttu, sinna salvestatud vabaenergia tõttu – viimane ongi vaadeldav negentroopiana (korrastatusega – negatiivse entroopiaga) ja on toimunud ning toimub päikeseenergia salvestamise ja selle kasutamise arvel.


19. veebruar 2017. a.

Слайд 118Fotosüntees on suurim redoksreaktsioon mis Maal tema ajaloo jooksul on toimunud.

Alates evolutsiooni poolt fotosünteesi „leiutamisest“ on taandavate omadustega keskkonnast litosfääri ülemises osas, hüdrosfääris ja atmosfääris on nendes ümber kujunenud elementide jaotus ja teiseks saanud nende ühendid. Fotosünteesi nimetatakse geokeemilises plaanis ka „fotosünteetiliseks oksüdeerimiseks“
Maa sisekihid vulkanismi kaudu toovad esile seda, mida mis elukeskkonda vastandab ning rahva müütides kannab nimetust „põrgu“, kohta kus puudub elu.


19. veebruar 2017. a.

Слайд 119Entroopia Päikesel suureneb ja negentoopia (korrastatus) kasvab seal, kus see on

võimalik. Me tunneme selleks ainult üht protsessi – fotosünteesi.

Looduses toimubki termodünaamika vaatepunktist vastupidine protsess – fotosünteesi kaudu negentroopia (negatiivne entroopia = korrastatuse) loomine.


19. veebruar 2017. a.

Слайд 120Fotosüntees (kreeka photo- 'valgus' + synthesis – ühendamine, liitmine) on looduses

asetleidev protsess, mille käigus elusorganismid muudavad päikeseenergia keemiliseks energiaks. Fotosüntees toimub fotoaktiivsete pigmentide, eelkõige klorofülli kaasabil.
Fotosünteesi lähteaineteks on süsinikdioksiid, vesi ja mineraalained (energiaallikaks on päikeseenergia), lõpp-produktiks ehk saaduseks on süsivesikud, peamiselt glükoos, fruktoos ja tärklis ning kõrvalsaaduseks hapnik.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 121Fotosünteesi kindlustamisel ja meie elu aluseks olev protsess on väga õnnestunud

tuumaenergia kasutamise viis – Päike ei ole ju midagi muud kui efektiivne, ilus ja esialgu ohutu tuumareaktor - termotuumareaktor.
Teisalt Maailmaruum oma madala (3 kraadi absoluutsel temperatuuriskaalal) temperatuuriga on suurepärane „prügikast“ madalakvaliteetse (läbitöötatud) jääksoojuse paigutamiseks.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 122Fotosünteesi lihtsustatud üldvalemina:
6CO2 + 12H2O + footonid → C6H12O6 + 6O2

+ 6H2O
EHK
süsihappegaas + vesi + valgusenergia(footonid) → glükoos + hapnik + vesi

19. veebruar 2017. a.

Слайд 123Aktivatsioonienergia barjäärid ja vabaenergia suurenemine↔vähenemine reaktsiooniproduktides.
Eksotermiline reaktsioon
Endotermiline reaktsioon (vaja lisada vabaenergiat)
Kõrge

aktivatsiooni energia, väike soojusefekt – vabaenergia väheneb

Madal aktivatsioonienergia, suur soojusefekt – reaktsioon kulgeb iseeneslikult – vabaenergia väheneb

19. veebruar 2017. a.

Слайд 124Fotosünteesi protsesside – fotosünteetilise oksüdeerimise - tulemusena on võimalik nende organismide

olemasolu, kes kasutavad fotosünteesi produkte oma elutegevuse tagamiseks – seened, paljud mikroorganismid, kõik loomad (inimene kaasa arvatud). Fotosünteesi produktide kasutajad saavad eksiteerida järgneva reaktsiooni kaudu, reaktsiooni kaudu milles reageerivad omavahel “universaalne” taandaja ja “universaalne” hapendaja (mõlemad on fotosünteesi produktid):
„CH2O“ + O2 ↔ CO2 + H2O


19. veebruar 2017. a.

Слайд 125Kordame üle:
fotosünteesi reaktsiooni tulemusena seotud CO2 lülitab süsiniku uuesti globaalsesse ringlusesse.
Elu

Maakeral ja kogu fossiilkütuste põletamisel põhinev energeetika on võimalik vaid fotosünteesi poolt genereeritud hapendajate (O2) ja taandajate (CH2O) vahelise potentsiaali vahe tõttu.
Fotosünteesi poolt genereeritud potentsiaalide vahe ongi vaadeldav negentroopiana (korrastatusega), päikeseenergia arvel loodud potentsiaalide vahega.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 126Kordame – fotosüntees.
19. veebruar 2017. a.

Слайд 127RuBisCo ehk Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase – ensüüm-valk mida on Maailmas kõige rohkem,

ensüüm mis katalüüsib CO2 lülitumist energiarikkasse glükoosi.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 12819. veebruar 2017. a.

Слайд 12919. veebruar 2017. a.

Слайд 130Juhin siinjuures tähelepanu asjaolule, et rohelistele taimedele vajalikud toitelemendid – valgus

(footonid), mineraalid, vesi ja süsihappegaas – nende allikaks on veeorganismidele veekeskkond ning maimaataimedele pinnas ja atmosfäär – siis need on ained millest taim ehitab üles oma keha.
Toitumiseks vajaliku „teine pool“ - oma keha ülesehitamiseks vajalik energia pärineb loomulikult Päikeselt, selle kaudu toimub taime „ehitusplokkide„ korrastamine – toimub negentroopia – korrastatuse – loomine, footonite vahendusel.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 131Loomsete organismide puhul on need kaks poolt omavahel ühendatud – oma

toiduga saame me nii keha ülesehitamiseks vajaliku materjali kui ka energia mille kaudu see keha ülesehitamine toimub.
Seega – fotosünteesi käigus toimub lõppkokkuvõttes endotermiline reaktsioon – energia salvestatakse. Meie aga - eelkõige aeroobid – toimetame eksotermiliste reaktsioonide vallandamise kaudu – universaalse taandaja ja universaalse hapendaja vahelise reaktsiooni vallandamise kaudu – tulemuseks on loomulikult roheliste taimede poolt tekitatud korrastatuse (negentroopia) asendamine korrastamatusega – entroopiaga.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 132 Maakera elustiku tagajaks - negentroopia allikaks on Päike. Temperatuuride vahe võimaldab selle

süsteemi väga suurt kasutegurit = (6000 – 300) : 6000 = 0,95(!). 3K Maailmaruumi (jahutaja - heitsoojuse „prügikast“) temperatuur on väga lähedal absoluutsele nullile.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 133Kasuteguri piiriväärtus on:
1 – T0/T1.
Oluline on temperatuuride (potentsiaalide) vahe.
Aurumasinas on temperatuuride

vahe suhteliselt väike võrreldes sellega mis see on diiselmootoris ja gaasiturbiinides.
See ongi olnud põhjuseks miks aurumasinad tõrjuti välja masinate poolt kus töötemperatuur ja jahutaja temperatuuride vahe on olnud suurem.
Päikese (soojendaja 60000 K ) ja Maa (3000 K ) temperatuuride vahe on veelgi suurem – sellest ka suurem kasutegur.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 134Nii kehtib termodünaamika II seadus ka Maailmaruumis ja meie Päikesesüsteemis –

kõik siin toimuvad protsessid on spontaansed.
Aga igas spontaanses protsessis peab süsteemi ja ümbritseva keskkonna summaarne entroopia kasvama.
DSuniversum = DSsüsteem + DSkeskkond > 0

puu → põlemine → CO2+ soojus (hajub universumis).
Entroopia muutus reaktsioonides.
Standardne entroopia muut
ΔS° = Σνi S°(produktid) - Σνi S°(lähteained)
νi- ainete koefitsiendid reaktsioonivõrrandis

19. veebruar 2017. a.

Слайд 135Vaatleme veelkord eelpoolesitletud materjali veidi igapäevasemast, kuid ühtlasi ka natuke üldisemast

seisukohast, nimelt sellest mis on seotud keskkonnaga ja ka selle kaitsega. Väidan, et loodusteaduste seisukohast on olemas keskkonnaseisundi halvenemisele objektiivne süvapõhjus ning selleks on entroopia kasvu seadus.
Hästituntud energia jäävuse seadusega ollakse harjunud ning väga vähe kohtame (kuigi ikka kohtame kah) soovi seda seadust ignoreerida ehk projekteerida igiliikurit.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 136Kuid entroopia kasvu seadus on niisama fundamentaalne ja kindel loodusseadus kui

energia jäävuse seadus. Oma mõningase ebaharilikkuse (statistilise olemuse) tõttu oleks entroopia seadus (termodünaamika teine printsiip) nagu mõneti ebakindel ning tekitab mulje, et sellest võimalik kuidagi „mööda hiilida“.
Aga ei ole!
Viimasest tekibki sageli süvaraskus keskkonnakaitses. Entroopia kasvu seadus keskkonnakaitse kontekstis tähendab seda, et kõikide protsesside käigus muutuvad energia ja aine kvaliteedilt halvemaks, et energia ja aine kvaliteet on pärast protsessi madalamad (s.t. kehvemad) kui enne.


19. veebruar 2017. a.

Слайд 137Kordan veel – energia jäävuse seadus ütleb, et energia pärast pole

tegelikult tarvis muretseda: seda ei tule kuskilt juurde ega lähe kaduma.
Entroopia kasvu seadusest järeldub, et kasutada saame üksnes kõrge kvaliteediga energiat (ainet) ja kasutamise käigus muutub see ilmtingimata madalama kvaliteediga energiaks (aineks): ning meile vajalikud tulemused saame ainuüksi selliste muundumiste käigus ja tulemusel.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 138On ainult üks võimalus igasuguste muutumiste teostamiseks – see toimub alati

potentsiaalide vahe arvel ehk entroopia kasvu arvel, aine ja energia kvaliteedi languse tulemusel ehk seda, et halva kvaliteediga energia ja aine on korrastamata, palju rohkem „sassis“ olekus, selle entroopia on kõrgem.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 139Kuid NB! – palun mitte unustada, et kõik termodünaamika seadused on

sõnastatud summaarse energia ja entroopia kohta – arvesse tuleb võtta kõik kanalid, mida mööda energia ja entroopia sisse tulevad ning samuti kõik teed ja viisid, mis neid vaadeldavast protsessist jälle välja viivad. Ning seega, kasvab suletud süsteemi entroopia, toimub suletud süsteemi energia ja aine kvaliteedi halvenemine, mis ei välista selles ülejäänud süsteemi korrastatuse arvel veelgi paremini korrastatud negentroopia (korrastatuse) saarekeste tekkimist.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 140Toon eelneva illustreerimiseks veelkord näite elusloodusest – kui oleks olnud võimalik

entroopia kasvu seadusele allumatu olend, siis oleks tal olnud evolutsioonis niivõrd suur eelis, et ta oleks evolutsiooni käigus kindlalt peale jäänud. Täiskasvanuna poleks tal vaja süüa ega juua – mäkkeronimiseks ning mäe otsa jõudnuna, oleks tema keha energia muutnud vaid oma vormi, alla laskudes oleks jällegi lihtsalt uuesti muutnud oma vormi. Kadusid soojusele poleks üldse (meenutage olukorda kus auto pidurdamisel kuumenenud pidurid auto uuesti tekkinud soojuse arvel liikuma paneksid) – kuumaks aetud keha energia oleks taolise Maailmas kergesti muudetav kineetiliseks.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 141Keskkonnakaitsega seoses tehakse pahatihti juttu jäätmevabast tootmisest. Termodünaamika seisukohalt on see

teaduse ja teadmistevastane jutt, just sama tark nagu jutt kuumadest piduriklotsidest, mis auto oma soojuse arvel liikuma panevad. Kui midagi muud, siis vähemalt madalakvaliteedilist soojust peab igas protsessis tekkima.
Eelnevast tuleneb Maailma arengu dialektiline vastuolu: vajame puhast elukeskkonda, aga evolutsiooni laine kannab edasi just neid, kes seda keskkonda kõige enam rikuvad.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 142Täpselt sama järeldus on kehtiv majanduslikult edukate ühiskondade kohta. Ka kliima

soojenemine tekib sellest, et meie Maakera ei suuda vabaneda küllalt kiirest madalakvaliteedilisest soojusest – aga selleks, et ainuüksi atmosfäär saaks toimida meie ootuste kohaselt, peab ta vabanema nn. jääksoojusest.
Seega meie tehnoloogiline eduks, meie tarkus on kergitanud meie ette globaalprobleemid, mis seotud meie keskkonna kvaliteediga, millest ilmseim nn. kliimasoojenemine – sellest aga lähemalt
10. Loengus.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 143Kui süsteemi temperatuurid on ühtlustunud (kui kaob potentsiaalide vahe) ja entroopia

saavutanud oma maksimumi (s.t. puudub igasugune korrastatus) on tegemist nähtusega mida nimetatakse SOOJUSSURMAKS kuigi energiat võib sellises Maailmas olla küllaga, on aga vajalik vastaspool, mille suhtes oleks energiat palju – eluks ja toimimiseks ehk lihtsalt igasugusteks muutusteks on vajalik potentsiaalide vahe.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 144Energia jäävuse seaduse seisukohalt on kõik kallihinnaline energia alles, kuid, et

midagi süsteemis toimuks on vaja potentsiaalide vahet ehk korrastatust.
Soojussurma tingimustes ei toimu mitte midagi - süsteemis puudub potentsiaalide vahe – süsteem on täielikult töövõimetu – võimetu igasuguseks muutuseks.


19. veebruar 2017. a.

Слайд 145Soojussurmas on isekulgev protsess maksimiseerinud oma korrastamatuse, ehk energia on jõudnud

oma „surnuaeda“ - entroopiasse.
Midagi võib toimuma hakata ainult negatiivse entroopia (negentroopia) – korrastatuse - lisandumisel süsteemi. Ja see saab toimuda ainult selle lisandumisel väljastpoolt vaadeldavat süsteemi.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 146Universumi soojussurm (termodünaamiline paradoks) tekib siis kui termodünaamika seaduspärasused rakenduvad kogu

Universumile.
 Et midagi üldse toimuda saaks, peab alati olemas olema temperatuuride vahe. Elu Maalgi on võimalik seetõttu, et on olemas kuum keha (Päike), jahutav keha (külm Maailmaruum) ning töötav keha (Maa).
Kui peaksid kaduma kõik temperatuurierinevused, kui kaovad kõik potentsiaalide erinevused, saabub soojussurm – süsteem muutub töövõimetuks.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 147Soojus läheb alati üle soojemalt kehalt külmemale, mistõttu soojem keha jahtub

ning külmem keha soojeneb kuni temperatuuride võrdsustumiseni. Igaviku jooksul võrdsustuvad Maailmas kõik temperatuurid.
SEEGA - Igaveses Universumis peaks juba olema saabunud soojussurm, kuid kuna see nii ei ole, pole Universum igavene.
Paradoksi sõnastas 1865. aastal üks termodünaamika rajajaid, Rudolf J. E. Clausius. Paisuva lõpliku Universumi puhul see paradoks kaob.
 

19. veebruar 2017. a.

Слайд 148Kuna aga suure tõenäosusega pole Universum
igavene, Universumis olevad ained on pidevas

muutuses-teisenemises (vt. 2. loeng – tumeaine), asjaolu, et saarekesed Universumis, kus negentroopia (korrastatus) kasvab ja kasvab vaid seni kuni on võimalik kasutada teistest Universumi aladelt saabuvat energiat kus omakorda kasvab entroopia ehk korrastamatus.
Meie siin Päikesesüsteemis, planeedil Maa kasutame korrastatuse (negentroopia) loomiseks Päikeselt saabuvat kiirgust (energiat),…

19. veebruar 2017. a.

Слайд 149…mille arvel ja klorofülli vahendusel konverteeritakse see siin keerukamateks struktuurideks (korrastatuseks)

– eluks ning võimalik, et veel meile mõnesse seni tundmatusse struktuuri.
Seetõttu võib termodünaamika teist seadust vaadelda (analoogiliselt ajanoolega) kui entroopia noolt ja Universumi asümmeetriat
kirjeldavaks seaduseks.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 150Kui Universum oleks igavene, siis peaks kogu taevas olema tähtede poolt

valgustatud (kui nad on olemas, või must, kui tähed on kustunud). Kui Universum on tekkinud kunagi (Suur Pauk), siis tähed süttivad taevalaotuses järk-järgult ja ka kustuvad järk-järgult.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 151Kordame veelkord!
See, et Maakeral midagi toimub – moodustuvad uued keerukad struktuurid,

on tekkinud elu, toimub laevaehitus, ehitatakse sadamaid, tehakse lapsi jne. – need on kõik protsessid mille käigus korrastatus suureneb ehk entroopia väheneb.
Kokkuvõttes toimub see kõik Päikesel toimuvate protsesside arvel – entroopia suurenemine Päikesel on selleks allikaks, mis võimaldab entroopiat Maal vähendada.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 152Seni kuni mateeria areng on tähtede faasis, seni kuni tähtedes on

piisavalt vesinikku, mis pole veel konverteerunud raskemateks elementideks, on võimalik selle energia arvel, mida tähed kiirgavad, et Maailmaruumis moodustuksid seda negatiivset entroopiat kasutavad “saarekesed”.
Ja kõige selle taga on Universumi “ülemjagaja” – korrastatuse-korrastamatuse vahekord, see mille toimet kirjeldab lihtne termodünaamika teine seadus.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 153Üheks selliseks “saarekeseks” kus täht mille nimi on Päike korrastub Päikese

negentroopia arvel osa ainest ja nii moodustub meie elukeskkond.
“Vahendajaks” Päikese ja meie Maa vahel on klorofüll ja edasi tuleb kõik see mida me naudime – hapnik atmosfääris, meri täis elusorganisme ja sellel sõitvaid laevu, meie ise, Mereakadeemia ja veel palju muud ehk kõik see mis sai võimalikuks Maa ajaloo suurima redoksprotsessi – fotosünteetilise oksüdeerimise tulemusena.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 154Paljud keemilised reaktsioonid kulgevad spontaanselt vaid ühes suunas (näiteks teemati ärapõletamine,

esimesena tegi seda Antoine Lavoisie 1778.a.):
Cteemant(S) + O2(g) ? CO2(g)
Neid protsesse saab küll pöörata, kuid selleks peab tegema tööd.
Isoleeritud süsteemis kulgeb protsess spontaanselt kui suureneb süsteemi korrapäratus.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 155Igas spontaanses protsessis peab süsteemi ja seda ümbritseva keskkonna korrapäratus suurenema.
Süsteemi

korrapäratuse mõõduks on entroopia (S, J/K×mol).
Erinevalt entalpiast (reaktsiooni koguenergiast) on entroopia otseselt eksperimentaalselt määratav suurus.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 156Vedeliku keetmisel suureneb süsteemi entroopia, sest molekulide liikumine muutub korrapäratumaks.
Entroopia

muudu arvutamiseks võib kasutada valemit:
ΔS = Q : T
(Q – aurustumissoojus cal/mool; T – vedeliku keemistemperatuur)
Seega entroopia kui olekufunktsiooni suurus on määratud soojuse ja temperatuuri suhtega – see on tuletatav Carnot ringprotsessist (Carnot' ringprotsess koosneb isotermilisest paisumisest-töötav keha on kokkupuutes soojusallikaga vt. koolifüüsika kursusest).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 157Tõstes liikmed ümber Carnot protsessi kirjeldavas võrduses
Q0 : Qi = T0

: Ti ,
saame olekufunktsioonid mis peegeldavad muutusi korrastatuses ehk entroopias
∆S0 = Q0 : T0
∆Si = Qi : Ti,


19. veebruar 2017. a.

Слайд 158A Termodünaamika II printsiibi mõned formuleeringud:
1) Ei ole võimalik selline protsess,

mille ainus lõpptulemus oleks soojuse üleminek külmemalt kehalt soojemale.
Soojuse ülekandmine külmemalt kehalt soojemale on võimalik, kuid sel juhul peab mingi masin
tegema tööd soojuse ära võtmiseks külmemalt kehalt, st ümbritsevates kehades toimub muutus -
lõpptulemuseks on soojuse ülekandmine külmemalt kehalt soojemale ja masina poolt ümbritsevas
keskkonnas teostatud muutus.
Selliselt toimivad näiteks külmkapp ja soojapump.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 1592) On võimatu selline protsess, mille ainus lõpptulemus oleks soojuse võtmine

mingilt kehalt ja
selle täielik muundamine tööks.
Ideaalne gaas paisub soojendamisel ning teeb seejuures tööd - kogu juurdeantav soojushulk võib
minna paisumisel tehtud tööks, kuid - gaasi ruumala on suurenenud, st juurdeantava soojushulga
muutmine tööks ei ole protsessi ainus lõpptulemus.
Teisalt, kui soojusmasin töötab tsükli alusel, siis toimub
vahepeal soojushulga Q2 andmine külmemale kehale, st kogu juurdeantav soojushulk ei muundu tööks.
Seega – iga masin saab teha tööd ainult väliskeskkonnalt saadud soojushulga Q ja oma siseenergia ∆U kahanemise arvel.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 160Taoline masin – on sama võimatu kui selle kõrval olev sinine

konstruktsioon - soojus ei saa iseeneslikult minna üle mehhaaniliseks tööks – masina töölepanekuks oleks vaja protsessist „välja võtta“ entroopia - soojushulga ja temperatuuri suhe Q/T.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 161Kordame - Termodünaamika II seadus.
Isoleeritud termodünaamlise süsteemi entroopia muut mistahes protsessi

korral on suurem nullist:
ΔS ≥ 0
Entroopia muut protsessi käigus on võrdne nulliga vaid pööratavate protsesside korral. Iga süsteem,
mis läheb mittetasakaalulisest olekust üle tasakaalulisse olekusse suurendab entroopiat ehk korrastamatust.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 162Entroopia iseloomustab mingi antud protsessi puhul energia üleminekut sellisse vormi, millest

ta ei saa enam iseeneslikult tagasi pöörduda või minna üle uutesse vormidesse ehk korrastamatus ei muutu iseenesest korrastatuseks just nii nagu mürast ei sünni iseeneslikult info.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 163 Elektripliidil vee keemajamisel soojuseks konverteeritud elektrienergia võiks ilma energia jäävuse

seadust rikkumata minna uuesti tagasi elektrienergiaks ning käivitada arvuti.
Sellist energia konverteerumise võimatust määratleb termodünaamika teine seadus ja arusaam energia kvaliteedist, mida kirjeldab entroopia mõiste ja mõisted vabaenergiast ning seotud energiast - viimast ei ole võimalik konverteerida kasulikuks tööks.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 164Või kui ja veelkord -
Teie liikuva auto kineetiline energia konverteerub pidurdamisel

punase fooritule eel soojuseks – soojenevad Teie auto pidurid (kui Te muidugi pidurdate oma autot).
Kuid soojenenud piduriklotsid ei suuda Teie autot pärast rohelise fooritule süttimist uuesti liikuma panna.
Kuigi kui see ka nii juhtuks, ei oleks energia jäävuse printsiipi rikutud. Rikutud oleks aga termodünaamika teine printsiip.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 165Entroopia ja seotud energia mõisted on seega väga lähedased
∆S0 =

Q0 : T0
Entroopiat tähistatakse S. Tema väärtus oleneb absoluutsest temperatuurist: see osa siseenergiast, mis pole suuteline muutuma kasulikuks tööks ja antakse ära soojuse näol, võrdub keha absoluutse temperatuuri ja entroopia korrutisega TS.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 166Seda suurust TS nimetakse seotud energiaks.
Seega
SEOTUD ENERGIA = TS
Eelnevast tuleneb –

mida kõrgem on temperatuur ja suurem on korrastamatus, seda suurem on seotud energia osakaal süsteemis.
Seega – loengu alguses näidatud aurumasinad – mida kõrgem on silindrist väljuva jääkauru temperatuur ja mida kaootilisem osakeste liikumine, seda madalam on masina kasutegur.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 167Clausius formuleeris termodünaamika teise seaduse järgnevalt: igasuguse isoleeritud süsteemi entroopia püüab

saavutada maksimumi.
See tähendab, et protsess kulgeb iseeneslikult ainult süsteemi sellise olekuni, mille puhul entroopia saavutab antud tingimustes oma maksimaalse võimaliku väärtuse.
Seetõttu on süsteemi püsiva tasakaalu oleku eelduseks:
ΔS = max

19. veebruar 2017. a.

Слайд 168Spontaanne (iseeneslik) protsess – soojus hajub – osakeste parameetrid ühtlustuvad.
19. veebruar

2017. a.

Слайд 169Seega – protsess on spontaanne (iseeneslik), kui tal on kalduvus toimuda

välise mõjuta – spontaansed protsessid võivad olla nii kiired (näit. plahvatus) kui ka aeglased (näit. laevakere roostetamine).
JA
Entroopia on korrapärasuse mõõt; vastavalt termodünaamika teisele seadusele kaasneb isoleeritud süstemis iga spontaanse protsessiga entroopia kasv ehk entroopia on mittekahanev suurus.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 170Kristallid, ideaalselt korrastatud struktuuriga temperatuuri absoluutse nulli juures, on entroopia väikseim.

Taolise jahutatud kristalli struktuur on kergesti rikutav – temperatuuri tõusuga keha entroopia suureneb – soojus kandub soojemalt kehalt külmemale üle spontaalselt.
Näide infovallast – korrastatusest tähtede järjestusest sünnib loengu konspekt. Selleks, et nii juhtuks on vaja teha tööd.


19. veebruar 2017. a.

Слайд 171Lähtudes eelnevast võib sõnastada ka lause: temperatuuri absoluutne null saavutamiseks on

vaja sooritada lõpmatu arv jahutustsükleid.
Viimast lauset on vaadeldakse ka kui termodünaamika kolmandat seadust.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 172Seotud energia – siseenergia väärtusetu osa väljendamisel soojusühikutes (kalorites-joulides mooli kohta):

Q ja siit
Q = T × ΔS
ja edasi entroopia muutus (vt. slide 122)
ΔS = Q : T
Kuna, mida kõrgem on temperatuur, seda suurem on osakeste KORRASTAMATUS.
Entroopiat saab järelikult kasutada energia seotuse (väärtusetuse) iseloomustamiseks antud temperatuuril – entroopia mõõtühikuks on: J×(deg×mool) -1


19. veebruar 2017. a.

Слайд 173Seega - siseenergiat U pole võimalik täielikult muuta tööks.
Siseenergia koosneb kahest

osast – vabast ja seotud energiast.
Vabaenergia on see osa siseenergia varust, mida saab muuta täielikult tööks
F = U – TS
Seega – mida suurem on TS, seda väiksem on süsteemi vabaenergia osa – selle energia osa, mis on süsteemist “kättesaadav”. Seega veelkord – mida kõrgem on temperatuur ja mida suurem on korrastamatus, seda vähem on süsteemis vabaenergiat.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 174Praktikas ei määrata U ja S väärtusi otse, vaid nad on

leitavad mitmesuguste protsesside mõõtmise tulemusel ja seega saame:
Seotud energia – see osa mida ei saa muuta tööks:
Δ(TS) = T × ΔS
ehk seotud energia osa süsteemis on seda suurem, mida kõrgem on temperatuur ja mida suurem on süsteemi korrastamatus.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 175Vabaenergiast lihtsalt.
Vast kõige lihtsamal moel võib vabaenergiat määratleda kui energiat “mis

on kohe saadaval”.
Toon eelneva kohta näite: kui teil on täispuhutud õhupall, siis on õhupallis olev gaas nõrgalt kokku surutud, selleks on tehtud tööd – selles on mingi hulk energiat. Kui pall katki torgata, vabaneb energia - vabaneb kohe – see ongi vabaenergia. Pallis olev energia “jagunes” palli lõhkemise hetkel kaheks. “Kasutamata” jääb aga laiali paiskunud gaasi siseneergia – osakeste mikroliikumised – vabaenergia lennutas aga palli tükid laiali vabaenergia tegi tööd.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 176Ja veel vabaenergiast – Te keerasite üles oma mehhaanilise kella –

vedrus salvestatud energia – (vaba)energia vabaneb järk-järgult ning paneb liikuma kella hammasrattad – vedrusse salvestatud energia arvel tehakse tööd. Osa sellest aga muutub soojuseks ja hajub – ning ei ole enam kasutatav töö tegemiseks, näiteks kella uuesti üleskeeramiseks.
Ülesanne isemõtlemiseks – Te lahustasite happes üleskeeratud vedruga kella – kuhu jäi kella vedrusse talletatud energia? Ja milline oleks ning kuidas muutus kella vedrusse talletatud energia kvaliteet?

19. veebruar 2017. a.

Слайд 177Aktivatsioonienergia barjäärid ja vabaenergia suurenemine↔vähenemine reaktsiooniproduktides.
Eksotermiline reaktsioon
Endotermiline reaktsioon (vaja lisada vabaenergiat)
Kõrge

aktivatsiooni energia, väike soojusefekt – vabaenergia väheneb

Madal aktivatsioonienergia, suur soojusefekt – reaktsioon kulgeb iseeneslikult – vabaenergia väheneb

19. veebruar 2017. a.

Слайд 178Entroopia muutused on jälgitavad, kui panna soojuslikult isoleeritud anumasse kokku erinevatel

temperatuuridel kehad. Ajapikku
nende temperatuurid võrdsustuvad - süsteem läheb üle tasakaaluolekusse.
Entroopia (süsteemi korrastamatus) on selle
protsessi käigus suurenenud.
Entroopia on protsesside pööratavuse mõõt, näitab protsesside toimumise iseeneslikku suunda – korrastamatusest ei sünni iseenesest korrastatust – selleks et see toimuks, on vaja teha tööd.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 179Seepärast on soojusenergia kõige madalamat, kõige kehvemat liiki energia.
Mehhaaniline energia

ja elektrienergia on soojusenergiast universaalsemad, oma kvaliteedilt kõrgemad.
Ja ka kallimad – elekter (kõrgeima kvaliteediga energia) kallineb meil pidevalt!
Kahjuks ei odavne aga meie elus ka madalaimat liiki energia - hind – selle energia hind, mis on kasutusel meie tubade kütmiseks!

19. veebruar 2017. a.

Слайд 180ENTROOPIA (S) on energia kvaliteeti iseloomustav füüsikaline suurus: mida suurem on

entroopia, seda madalam on energia kvaliteet. Definitsioonivalem:
ΔS = Q : T.
Entroopia SI-ühik on üks joule kelvini kohta,
[ΔS] = 1 (J : K).
Entroopia muut ΔS ei olene tingimustest, millistel süsteem läheb algolekust lõppolekusse; oleneb vaid alg- ja lõppolekut iseloomustavatest suurustest.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 181Süsteemi siseenergia.
Kui termodünaamiline süsteem ei võta osa energiavahetusest ümbritseva keskkonnaga, on

tegemist isoleeritud süsteemiga – praktikas neid ei eksisteeri, kuid arvutuste tegemisel eeldatakse nende olemasolu.
Ligikaudu isoleerituks võib lugeda süsteeme, kus protsessid toimuvad väga kiiresti (plahvatused).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 182Süsteemi siseenergia.
Termodünaamilisele süsteemile on omane teatav kindel energiavaru.
Liikuval autol on teatav

kineetilise energia varu – ja peale selle tema kütusepaagis olevas kütuses vastav hulk potentsiaalset keemilist energiat.
Kogu süsteemi täielikku energiavaru nimetatakse siseenergiaks ja tähistatakse:
U

19. veebruar 2017. a.

Слайд 183Süsteemi siseenergia U koosneb süsteemi moodustavate ainete aatomisisesest energiast, osakeste liikumisenergiate

summast, potentsiaalsest mehhaanilisest energiast, potentsiaalsest keemilisest energiast jne.
Isoleeritud süsteemis toimuvad kõik energeetilised protsessid nii, et teatavat ühte liiki energia mingi koguse kadumisega mõne füüsikalise või keemilise protsessi tulemusel, kaasneb samas süsteemis, mingi teist liiki energia ekvivalentse koguse tekkimine.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 184Kui antud süsteemis märkida “kadumaminevat” (hajuvat) energiat negatiivse suurusena ja asemele

tekkivat positiivse suurusena, siis isoleeritud süsteemis on energiamuutuste algebraline summa null
ΔU = 0

19. veebruar 2017. a.

Слайд 185Süsteemi siseenergiast veel.
SEEGA
Isoleeritud süsteemis toimunud füüsikaliste või keemiliste protsesside puhul võrdub

süsteemi siseenergia muutus alati nulliga.
Isoleeritud süsteemis on kõikide energialiikide summa püsiv suurus:
Σ E = U = const,
kuid erinevused tekivad on need energia kvaliteedis.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 186Maxwelli’i deemon (Nature 1874).
19. veebruar 2017. a.

Слайд 187 Maxwelli deemon. See on piltlik kujund entroopia kasvu seaduse rikkumise

kohta.
Kujutame, et meie kahekambrilise ruumi vaheseinas on uks, mida avab ja sulgeb molekulaarsete mõõtmetega "deemon", avades ukse, kui madalama temperatuuriga ruumist läheneb kiire (või kõrgema temperatuuriga ruumist aeglane) molekul. Eeldades, et ukse avamine ei nõua energiat, saame sel teel tekitada ühes ruumipooles kõrgema temperatuuri teise ruumi temperatuuri languse arvel - seega vähendada summaarset entroopiat.
Ainus vajalik tingimus sellise "II liiki perpetum mobile valmistamiseks on "informatsiooni kasutav deemon".

19. veebruar 2017. a.

Слайд 188Kuidas on lood tegelikult, on probleem koos oma filosoofilise-kvantloodusteadusliku taustaga. Kuid

ilmne on see, et informatsiooni saamine kvantmehhaanika seaduspärasuste kohaselt käituvate osakeste kohta, annab meile informatsiooni vaid osakese ühe parameetri kohta, kusjuures info saamise tulemusel, osakese teised parameetrid muutuvad. Tehniliselt on ju tõesti nii, et määramaks elektroni asukohta peab osakene kohtuma teisega mille parameeter on määratletav. Kohtumise ehk vastasmõju tulemusel muutuvad aga jälgitava osakese teised parameetrid. Seega vaatlus muudab osakese olekut (vt. 3. loeng – “kahepilu katse”).


19. veebruar 2017. a.

Слайд 189Matemaatikud on näiteks seisukohal, et entroopia kasvu seadus kehtib ka informatsioonivoogude

kohta.
Toon näite: teadmiste mahu plahvatuslik kasv viimase viiekümne aasta vältel on viinud äärmiselt madalale tõenäosuse, et üks indiviid (või grupp) suudaks kontrollida saabuva info kvaliteeti. Ja raskusi selles vallas näikse olevat isegi USA NSA-l.
Tuntud on ka II Maailmasõja ajal liitlaste dessandiga Prantsusmaale maabumise ettevalmistamine, kus nn
D-day kohta oli liikvel nii palju erinevat informatsiooni, et selle tõelised asjaolud jäidki sakslastele, vaatamata nende luure ja sakslaste teenistuses olevate prantsuse kollaborantide laialdasele võrgustikule, saladuseks.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 190"Deemon", kes veel sada aastat tagasi oli võimeline eristama tõde valest

(infot mürast), on nüüdseks oma mõju kaotanud ning kaootiliselt liikuv (väär)informatsioon täidab enamuse inimeste teadvuse.
Kokkuvõttes on ikka nii, nagu elektroni käitumist muudab vaatleja olemasolu (vt. 2. loengu video – elektronide käitumine kahepilu katses vaatleja olemasolul ja selle puudumisel), on ka siin vaatlejapoolse protsessi mõjutava jõuga tegemist.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 191Eelneva jätkuks seoses entroopia küsimustega sobib hästi näide keemiliste sidemete tekkimisest-lagunemisest.


Teatavasti on keemiline reaktsioon keemiliste sidemete ümberkujunemise protsess, millega kaasneb energia neeldumine, või vabanemine soojusena, kiirgus- või elektrienergia kujul.
Keemiliste reaktsioonide käigus kas neeldub või vabaneb soojust- energiaefektidest on tähtsaim soojusefekt.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 192Soojusefekt - soojushulk, mis püsival temperatuuril eraldub või neeldub ainete mittepöörataval

ja täielikul reageerimisel.
Soojuslike muutuste uurimisega tegeleb termokeemia.
Termodünaamika on ka õpetus mitmesuguste protsesside energeetilistest efektidest.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 193Hessi seadus selle klassikalisel näitel.

Soojusefekt, olles võrdne reaktsioonisaaduste ja lähteainete entalpiate

erinevusega, ei sõltu reaktsiooni tegeliku toimumise viisist ega selle vaheetappidest.
Analoogia füüsikalise tööga on siin täielik – füüsikalises mõttes ei sõltu tehtud töö hulk sellest millist teed mööda me mäe otsa ronisime – ronimisel tehtud töö sõltub vaid mäe kõrgusest.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 19419. veebruar 2017. a.

Слайд 195Näiteks soojusefekt reaktsioonis.
C(grafiit) + O2(g) → CO2(g) ΔH° =

-393.5 kJ
Kui me saame aga grafiidist enne süsinikoksiidi:
C(grafiit) + 1/2 O2(g) → CO(g) ΔH° = -110.5 kJ
ja põletame CO seejärel edasi süsinikdioksiidiks:
CO(g) + 1/2 O2(g) → CO2(g) ΔH°= -283.0 kJ
on summaarne eralduv soojushulk ikka sama
-110.5 + (-283.0) = -393.5 kJ

19. veebruar 2017. a.

Слайд 196Hessi seadus kokkuvõtvalt.
Muutus süsteemi energias, mis kaasneb süsteemi üleminekuga algolekust lõppolekusse

on määratud ainult alg- ja lõppolekuga, ega sõltu üleminekuteest.
Isoleeritud süsteemi energia on konstantne suurus.
vesi → jää = vesi → aur → jää

19. veebruar 2017. a.

Слайд 197Veel - näitena eelneva kohta:
kui võtta
100 g vett temperatuuriga

25 kraadi, kuumutada see keemiseni, aurustada, aurud uuesti kondenseerida ning jahutada 60 kraadini, siis kogu siseenergia muutus on täpselt sama suur, kui kuumutame vee kohe
60-ne kraadini.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 198Siseenergia juurde tagasi.
Termodünaamika I seadus = energia jäävuse printsiip- energia vabanemine

või neeldumine keemilise reaktsiooni käigus peab põhjustama vastava muutuse reaktsioonisaaduste energiavarus, võrreldes lähteainete summaarse energiavaruga.
Siseenergia- kehade sisemine energiavaru U;
Eksotermiline reaktsioon- soojus vabaneb U vähenemise arvelt;
Endotermiline reaktsioon- soojus neeldub U kasvab.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 199qv=ΔU,
kus qv – püsival ruumalal toimuva reaktsiooni soojusefekt;

ΔU- reaktsioonisaaduste ja lähteainete summaarsete siseenergiate U2 ja U1 erinevus (U2-U1).
Siseenergia on süsteemis olevate aineosakeste ja nende vastastikuse toime summaarne energia. Siseenergia - süsteemi koguenergiast eraldame süsteemi kui terviku kineetilise ja potentsiaalse energia.
Süsteemi siseenergia absoluutväärtust mõõta ei saa, on võimalik vaid määrata ΔU väärtusi (tähendab on võimalik mõõta vaid muutust).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 200Protsessi koguenergia kannab nimetust entalpia.
ΔH= ΔG + TΔS
s.t. protsessi koguenergia ehk

entalpia muut koosneb vabast energiast (ΔG), mis võib muutuda tööks ja seotud energiaks (TΔS), mis on seda suurem, mida kõrgemad-suuremad on T ja S, saab eralduda ainult soojusena.
NB! Entalpia mõõtühik on J (joule).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 201Keemilise reaktsiooni kulgemisel kas eraldub või neeldub soojust.
Konstantsel rõhul kulgeva reaktsiooni

soojusefekt võrdub süsteemi entalpia muutusega (ΔH).
Reaktsioonid kulgevad entalpia vähenemise (ΔH <0) ja entroopia kasvu
(ΔS >0) suunas (ehk energia kulub (hajub) ära ja kaob algproduktide korrastatus).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 202Entalpia.
Gaasireaktsioonidel esineb süsteemi ruumala muutus, püsivaks loetakse välisrõhku P. Vastavat isobaarset

soojusefekti tähistatakse qp .
Gaaside eraldumisega toimuvas reaktsioonis peab süsteem kulutama osa oma energiast paisumistööks. Püsiva välisrõhu ületamisega seotud paisumistöö W:
W = PΔV,
kus ΔV on reaktsiooni ruumalaefekt.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 203Termodünaamika I seaduse põhjal:
qp – w =ΔU, siit
qp = ΔU +

PΔV = Δ(U+PV) = ΔH,
ΔH - olekufunktsioon entalpia muut.
Soojusefekt on võrdne süsteemi entalpiamuuduga.
ΔH = ΔU+ ΔnRT,
Δn - gaaside moolide arvu muut keemilises reaktsioonis.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 204Vabaenergia mõiste praktilisemaks kasutamiseks võeti kasutusele uus olekufunktsioon mis kirjeldaks seda

kui palju mittepaisumistööd on süsteem võimeline tegema – põhiline kaalutlus toidu ja kütuste uurimisel, elektriliste ning mehhaanilise töö arvutamisel, korrodeerumise ennustamisel jne. Olekufunktsioon kannab nimetust Gibbs’i energia (nimetatud selle uurija J.W.Gibbs’i järgi 1839…1903).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 205Mittepaisumistöö hõlmab ka lihaste töö ja närvisignaalide edasikandumist ning on seega

bioenergeetika ja rakkudes toimuva aluseks.
Seega Gibbs`i energia muutus on süsteemi ja tema väliskeskkonna summaarne energiamuut konstantsel rõhul ja temperatuuril. Konstantsel temperatuuril ja rõhul toimuva iseenesliku protsessi Gibbs`i energia väheneb.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 206NB! Vabaenergia (Gibbsi energia) on miinimumis, siis kui entroopia on maksimumis

ehk korrastamatus on nii suur, et enam “segasemaks” süsteem ei saa minna.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 207Gaasi paisumisel kasvab entroopia logaritmiliselt.
19. veebruar 2017. a.

Слайд 208Entalpia.
Reaktsiooni energia ja reaktsiooni entalpia vahel on järgmine seos:
ΔH = ΔU

+ pΔV
Näide:
Zn + H2SO4 ? ZnSO4 + H2
ΔU = -145,5kJ×mol-1
ΔH = -143,2kJ×mol-1
pΔV = 2,3kJ×mol-1

Kuna vedelike ja tahkete ainete mooliruumalad on palju väiksemad gaasi mooliruumalast, siis oleneb ΔV väärtus peamiselt gaaside tekkimisest ja kadumisest reaktsiooni vältel.


19. veebruar 2017. a.

Слайд 209Hessi seaduse juurde.
19. veebruar 2017. a.

Слайд 210Endotermia – eksotermia.
19. veebruar 2017. a.

Слайд 211Selgitusi.
Omavahel reageerivad ained on praktiliselt alati molekulidena.
Nende omavahelisel reageerimisel, reaktsiooni esimesel

etapil lõhutakse lähteainete molekulides keemilised sidemed, teises etapis moodustuvad uued sidemed. Juhul kui lähteainete molekulide keemiliste sidemete lõhkumiseks kulub vähem energiat kui eraldub uute sidemete moodustumisel on tegemist eksotermilise reaktsiooniga (metaan põleb ja eraldub soojus).
Endotermilise reaktsiooni puhul aga kulub lähteainetes olevate keemiliste sidemete lõhkumiseks rohkem energiat kui eraldub uute moodustumisel (välgu toimel lämmastikoksiidide moodustumisel atmosfääris).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 212Termodünaamika esimese seaduse juurde, kolvi tõstmiseks tehakse tööd, süsteemi siseenergia väheneb

selle võrra A = FΔS – see on osa võrreldav kogu reaktsiooni entalpiaga.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 2132 H2 + O2 ? 2 H2O + DH (DH =

-584 KJ - vedelfaas)
Entalpia muutus protsessis (DH) võrdub protsessis (reaktsioonis) neelduva või eralduva soojushulgaga.
Kui protsessis eraldub energiat nimetatakse seda eksotermiliseks protsessiks (ΔH < 0).
Kui energiat tuleb süsteemi juurde anda on tegemist endotermilise protsessiga (ΔH > 0).
1 mooli jää sulamisel
H2O(s) → H2O(l)
ΔH = +6.01 kJ
süsteemi entalpia kasvab.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 2141 mooli metaani põlemisel
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g)+ 2H2O(g)
ΔH

= - 890.4 kJ, järelikult:
süsteemi entalpia väheneb (miinusmärk).
Entalpia muut mingis protsessis võrdub saaduste ja lähteainete entalpiate vahega:
ΔH = ΣH(saadused) - ΣH(lähteained)

19. veebruar 2017. a.

Слайд 215Reaktsiooni standardne entalpia.
Soojusefekt (ΔH°) on entalpia muut
reaktsiooni läbiviimisel standardtingimustel.
ΔH° leidmiseks

tuleb lahutada reaktsioonisaaduste standardsete tekkeentalpiate summast lähteainete standardsete tekkeentalpiate summa.
ΔH° = Σνi ΔHf°298 (produktid) - Σνi ΔHf°298 (lähteained)
Üldkujul reaktsioonile
aA + bB → cC + dD
ΔH°= [c×ΔHf°298(C) + d×ΔHf°298(D)] - [a×ΔHf°298(A) + b×ΔHf°298 (B)]

19. veebruar 2017. a.

Слайд 216Näide:
4FeS2(s) + 11O2(g) = 2Fe2O3(s) +8SO2(g)



reaktsiooni soojusefekt ΔH0 on:


(ekso,

ΔH < 0)

19. veebruar 2017. a.

Слайд 217Soojenemiskõver.
Sulamis- ja aurustumisentalpiad (aurustumise koguenergia) mõjutavad soojenemiskõverate kuju. Soojenemiskõver on graafik,

mis näitab objekti temperatuurimuutust, kui objekti soojendatakse konstantsel rõhul konstantse kiirusega, st. protsessi koguenergia (entalpia).
Järgneval slidel on toodud külma jää soojenemine – esialgu tõused jää temperatuur ühtlase kiirusega – vee molekulid on suletud tahkisesse ja vibreerivad temperatuuri tõustes üha kiiremini kuni vibreerimine muutub piisavalt tugevaks, et üksteisest eraldada. Temperatuuri tõstes kasutatakse kogu lisatav energia molekulidevaheliste tõmbejõudude ületamiseks.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 218Alles pärast jää sulamist hakkab temperatuur taas tõusma ning see jätkub

kuni keemistemperatuurini. Keemistemperatuuril tekib soojenemiskõveral taas platoo. Sel temperatuuril on molekulide energia piisav, et vedelast faasist aurufaasi lahkuda – kogu lisatav energia kasutataksegi auru moodustamiseks ja seda pole võimalik kasutada keha temperatuuri tõstmiseks. Kui kogu aine on läinud üle aurufaasi, jätkub temperatuuritõus jälle ühtlases tempos – nüüd algab moodustunud auru temperatuuri tõus.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 219Vedeliku soojenemiskõvera tõus on seda järsem, mida madalam on vedeliku soojusmahtuvus.

Vee soojenemiskõveral on jääle ja aurule vastavad kõveraosad järsema tõusuga kui vedela vee kõveraosa tõus ning seetõttu teame, et vedela vee soojusmahtuvus on suurem kui jääl ja aurul.
Vedela vee suur soojusmahtuvus on tingitud seal säilinud vesiniksidemete võrgust. Molekulid on seotud vesiniksidemetega ning nende sidemete võnkumine ja sidemete lõhkumine tarvitab rohkem energiat kui aatomitevaheliste jäikade sidemete võnkumine.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 220f02-09-P088530
19. veebruar 2017. a.

Слайд 221Tekkesoojus
- on 1 mooli ühendi tekkimisel lihtainetest vabanev või neelduv soojushulk.
Arvutamisel

kasutatakse standardseid tekkeentalpiaid ΔHf°298 (tabelitest).
Standardtingimustes püsivate lihtainete (grafiit, rombiline S, vedel broom jt.) tekkeentalpiad võrduvad 0.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 222Aine põlemissoojuseks nimetatakse
1 mooli aine täielikul põlemisel vabanevat
soojushulka.


Täieliku põlemise produktideks on mittepõlevad ained - CO2, H2O, N2 ja SO2.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 223
Lisamaterjali loengule ja materjali loengus räägitu kordamiseks.
19. veebruar 2017. a.

Слайд 224Termodünaamika seadustele vastavalt toimub meie Maailmas kõik, mis siin Maailmas üldse

toimub ning seega mitte ainult see, mida me peame loodusteadusteaduste valdkonda kuuluvaks. Või õigemini arvame sinna mitte kuuluvaks. Kordan veelkord – loodusseadused ja loomulikult ka termodünaamika seaduspärasused kehtivad ka ühiskonna kohta, ka meie igapäevase elu kohta. Selles vallas on aga kujunenud kombeks esitada väiteid, mis mitte kuidagi ei sobitu kokku nn. tõenduspõhise maailmapildiga (teadusliku maailmapildiga). Kuna, aga ühiskonna ja kultuurivaldkonna ning ka majandus ja riigikorraldus toimimine on pika reageerimisajaga,

19. veebruar 2017. a.

Слайд 225siis ühe või kahe valimisperioodi vältel jääb tõepoolest nn. moodsatele demokraatlikele

valitsejatele (s.t. harimatute poolt võimule hääletatud-manipiuleeritud kamp intrigaane) mulje, et ühiskonna toimine on valdkond, kus looduseadused ei kehti ning milles toimuvad muutused on prognoosimatud ning sellest tulenevalt poliitikutele on lubatud harimatus ja „julge pealehakkamine“.
Olen kindel, et kõik on kuulnud praegu sageli korratavat väidet, et mitmekesisus rikastavat, pidades selle all sagedasti silmas nihkunud seksuaalsuhteid ja muidki inimeste eluvõimetuid veidrusi (mis muidugi on inimkonna minevikus alati mingil moel olemas olnud ning pole seega mingiks kaasaegseks „avastuseks“).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 226„Rikastamise“ osas on aga enamasti selgitamata jäetud, et mis-kes ja mida

ning millega rikastab. Võimalik, et homoseksuaalsus ehk ühetaolisus seksuaalsuhetes (mis muidugi bioloogilises mõttes ei ole seksuaalsuhted) on asjaosalistele huvitav, aga inimpopulatsiooni ta kuidagi rikastada ei saa. Keerukam, seega ka informatiivsem ehk madalama entroopiaga, on kindlasti liit, mis põhineb heteroseksuaalsel (madalama entroopitasemega) ühendusel. Loengus rõhutasin seda, et igasuguse muutuse aluseks on potentsiaalide vahe ehk suhte eelduseks on erinevus. Elementide puhul on ju ka keemilise sideme tekkimise eelduseks enamasti elektronegatiivsuse erinevused või siis osapoolte erinevused nende laengutes või laengute jaotumises jaotumises.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 227Olukorda, kus Maailmast on kadunud potentsiaalide vahe kannab nimetust soojussurm (vaata

käesolev loeng). Soojussurm nagu iga surm on igavene, sest midagi enam ei toimu – kõik mis kunagi oli, on juba toimunud, energia (mis on täpselt sama hävinematu kui mateeria) on degradeerunud, omandanud oma madalaima kvaliteedi. Seetõttu ei ole soojussurma saabumisel ka enam midagi omavahel segada-vahetada-mõjutada. Praegu toimuv intensiivne pagulasvool Euroopasse ei ole ju ka midagi muud kui erinevuste (mis oma mõõdukal olemasolul tõesti rikastab) tasandamine, ehk rahvuskultuuride surma genereerimine analoogiliselt soojussurmaga – olukorra tekitamist, kus enam midagi vahetada (no näiteks nn. kultuuri) ei ole.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 228Ja veel samal teemal, aga imeravimite kaudu – teatavasti on viimasel

ajal uuesti käibele tulnud paksukeste tarvis kaalulangetajana aine nimelühendiga DNP, ehk dinitrofenool, juba mitmeid aastakümneid biokeemias tuntud preparaat mida biokeemia vallas liigitatakse LAHUTAJATE hulka. Ehk tegemist on ainega, mis muudab meie, õigemini kõikide elusorganismide, rakumembraanid laengutele selliselt läbitavaks, et kaoks membraanide prootonpotentsiaal (sellest täpsemalt 13. Loengus) ehk eeldus elus olemiseks. Seega lahutatakse DNP mõjul nn. toiduainete katabolism potentsiaalide loomisest, selle loomisest, mis on elusorganismide igasuguse elutegevuse…

19. veebruar 2017. a.

Слайд 229…eelduseks, nähtuseks, mille kaudu organismid väärindavad energiat, muudavad selle kasutatavaks –

moodustub nüüd juba Teile tuntud vabaeenergia – moodustuvad hästikorrastatud süsteemid, mis tagavad elu enese eksistentsi. Lahutajate kasutamisel eraldub aga vabanev energia soojusena – kõige kehvema kvaliteediga energiana, inimeste puhul tõusebki DNP manustamisel kehatemperatuur ja kui doos on piisav, siis järgneb protsessi loogilise jätkuna surm. Surm järgneb seetõttu, et rakumembraanide spetsiifilise läbilaskvuse kadumisel pole organismis enam piisavalt kvaliteetset energiat salvestatuna elektrilise potentsiaalide vahena membraanidel (moodustub ainult madalakvaliteetne soojusenergia)…

19. veebruar 2017. a.

Слайд 230…ehk organismi korrastamatus ei ole enam kokkusobiv eluks vajaliku korrastatusega ehk

organismis pole enam elutegevuse tagamiseks kasutatavat energiat ja struktuuri, mis selle saaks tagada. Seega toimivad lahutajad organismile sarnaselt olukorrale, kus Euroopal puuduvad riigipiirid ning kõik tulnukad on siia oodatud, ehk Euroopa kultuur koos oma „väärtustega“ kaob olematusse – just seetõttu, et membraanid (pro piirivalve) eri kultuuride vahel on lakanud toimimast.
Ja veel - teatavasti toimivad kütuseelemendid täpselt samal põhimõttel nagu elusorganismidki – nende tööks on vajalik membraan, mis laseb läbi prootoneid ja ei lase läbi elektrone, just nii nagu rakumembraanidki – selektiivse läbilaskvuse kadumisel lõpetab element töö (küttelementidest lähemalt
13. Loeng).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 231Ja veel – organismide kohastumine tagab mitte ainult nende ellujäämise, vaid

tagab paremini kohastatuile suurema arvukuse. Selle taustal seisab valik ja selle taustal omakorda väga karm liigisisene konkurents (täpselt nii nagu majanduseski).
Konkurents, mis on paljudele isenditele hävitav, kuid liigi jaoks möödapääsematult vajalik. Enamasti on konkurentsi mehhanismiks suguline valik – erineva „konstruktsiooniga“ (mehed-naised kui soovite) sama liigi isendid, erinevate „ülesannetega“ oma eluteel peavad kohtuma ja moodustama keeruka elu võrgustiku ehk struktuuri.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 232Iga hälve, iga lihtsustus, mis tekitab selles segadust, süsteemi entroopia suurenemist

on tulevikuta. Nii on juba aastamiljardeid elu (inimkond vastavalt aastatuhandeid) omal teel, ajuti komistades ja kukkudes, jõudnud tänasesse päeva ning tema edasikestmise eelduseks saab olla ainult entroopia „tõrjumine“ endast, süsteemist kus me elame, seni kuni meil jätkub selleks ressursi, et säilitada erinevusi, aga ikka määral, mis jätaks nii mõnedki meid alles ning teeks meist kellegile esivanemad.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 233Ja nii vast ongi loodusseaduseks see, et kõik, mis inimesed siin

ilmas on teinud ja ühiskonda kujundanud, olgu see siis hea või halb, on seda tehtud ikka naiste pärast, sest naised on iga populatsiooni kullafond ja stabiilsuse tagajad.
Ning veel – inimpopulatsioonis (ja ka loomapopulatsioonides) on alati meeste varieeruvus suurem kui naistel – kui mees on loll, siis on hästi loll, aga kui tark, ka siis on sageli ka hästi tark. Meie, meeste peal evolutsioon eksperimenteeribki. Aga kullaga ei riskita, seda hoitakse näguripäevadeks. Ärgem siis saatkem naisi sinna kuhu peavad minema mehed. Siis ehitavad naised-mehed koos üles selle mille aeg (mehed naiste pärast?) lõhkunud on.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 234Kokkuvõtteks. Entroopia ja termodünaamika 2 seadus.
Iseenesliku protsessi toimumise tulemus looduses on protsessi

tasakaaluolek. Protsesside suuna ja tasakaaluolekud määrab termodünaamika 2 seadus:
kõik protsessid looduses toimuvad iseeneslikult ainult ühes suunas, soojus läheb iseenesest ainult kõrgema temperatuuriga kehalt madalama temperatuuriga kehale ehk
ΔS ? max

19. veebruar 2017. a.

Слайд 235ENTROOPIA (S) on energia kvaliteeti iseloomustav füüsikaline suurus: mida suurem on

entroopia, seda madalam on energia kvaliteet. Definitsioonivalem:
ΔS = Q : T.
Entroopia SI-ühik on üks joule kelvini kohta,
[ΔS] = 1 (J : K).
Entroopia muut ΔS ei olene tingimustest, millistel süsteem läheb algolekust lõppolekusse; oleneb vaid alg- ja lõppolekut iseloomustavatest suurustest.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 236Entroopia muut võimaldab otsustada, kas protsess on pöörduv või pöördumatu. Kui

protsess on pöörduv, siis entroopia on jääv, ΔS = 0. Kui protsess on pöördumatu, siis entroopia kasvab, ΔS > 0, ja energia kvaliteet väheneb. See tähendab, et kõrgema kvaliteediga (meile kasutamiseks sobiv) energia muundub vähemkvaliteetseks (meile mittevajalikuks) energiaks.
Protsessid, milles entroopia väheneb ΔS > 0 on võimalikud ainult täiendava energia lisamisel süsteemi – elu on süsteem, mis vähendab iseenda entroopiat Päikese energia arvel.



19. veebruar 2017. a.

Слайд 237Avatud süsteemides võib energia väheneda, kuid see saab toimuda vaid keskkonna

entroopia kasvu arvel. Summaarne entroopia muut ei saa olla kunagi negatiivne – kehtib entroopia kasvu seadus.
Entroopia on ka süsteemi korrastamatuse mõõt: mida suurem on entroopia, seda suurem on süsteemi korrastamatus ehk kaos. Süsteemi entroopia võrdub Boltzmanni konstandi ja oleku tõenäosuse naturaallogaritmi korrutisega,
S = k×lnW.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 238Negentroopia allikas Maakera jaoks on Päike. Kasutegur = (6000 – 300) :

6000 = 0,95(!)

19. veebruar 2017. a.

Слайд 239Looduses põhiliselt endotermiliselt toimuv reaktsioonide võrgustik – fotosüntees – on allikaks

energiarikastele ühenditele – puit, kivisüsi, nafta jt. – ja selle reaktsiooni “jääkproduktile” – vabale hapnikule.
Puidu põlemine ja meie elutegevus – on võimalik vaid endotermiliselt tekkinud ühendite ebastabiilsuse tõttu.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 240Külmkapi korral on jahutajaks
külmkapis olev õhk, esemed kapis; ning soojendajaks väliskeskkond.

Töötavaks kehaks on mootor
koos gaasisüsteemiga. Gaasiga tehakse tööd (näiteks Joule'i-Thomsoni efekti kasutades), mille
tulemusena võetakse tsükliliselt külmkapi sisemusest energiat Q2 ning soojendajale antakse
soojushulk Q1=A+Q2 .
Samamoodi - soojapumba korral võetakse sooja kas välisõhust või Maa
sisemusest, temperatuuriga T2, ning antakse edasi toaõhule, temperatuuriga T1, kusjuures T 1>T 2 .
Külmkapi korral arvestatakse külmkapi efektiivsust - mitu korda ületab külmkapilt ara võetav
soojushulk äravõtmiseks vajaliku töö.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 241Näiteid entroopia asjus.
Kristallisatsioon – jahutatava vedeliku või amorfse aine kristalliseerimise protsessis

entroopia väheneb, sest molekulide liikumine muutub korrapärasemaks. Absoluutse nulli lähedastel temperatuuridel on osakeste ruumiline paigutus ideaalses kristallis täiesti korrapärane. Sellise keha entroopia võrdub nulliga.
Plancki postulaat: kui T =00K, siis S = 0

19. veebruar 2017. a.

Слайд 242Termodünaamika II seadusest
EHK
Soojus ei saa iseenesest üle minna külmemamalt kehalt kuumemale,

ükskõik missugused vahepealsed protsessid või energia muundumised seejuures toimuksid
EHK
energia kandub alati kõrgema potentsiaaliga süsteemilt üle madalama potentsiaaliga süsteemile, kusjuures see ülekandumine kestab seni, kuni saabub termodünaamiline tasakaal.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 243Entroopia ja vabaenergia.

4 Fe(s) + 3 O2(g) → 2 Fe2O3(s)
ΔH

= -1648.4 kJ (eksotermiline)
S°(Fe) = 27.3 J/K×mol
S°(O2) = 205.0 J/K×mol
S°(Fe2O3) = 87.4 J/mol×K
ja entroopia muut kogu reaktsioonis:
ΔS° = 2×87.4 - [4×27.3 + 3×205.0] = -549.4 J/K < 0
Süsteemi (antud reaktsiooni) entroopia seega kahaneb
(ΔS < 0), üldine (summaarne)
entroopia aga vastavalt termodünaamika II seadusele ilmselt kasvab (eksotermiline
protsess - soojus hajub ümbritsevasse keskkonda).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 244Metallide tootmisel maagist materjal korrastub, luuakse potentsiaalide vahe – saadakse puhas

metall (raud). Rauas on vabaenergia (Gibbsi energia) hulk suurem kui rauamaagis –eeldus raua korrodeerumiseks.
Looduses rauas olev vabaenergia vabaneb – raud oksüdeerub (roostetab = korrodeerub), raua vabaenergia hajub soojusena ning hästikorrastatud raua asemel jääb alles väiksema korrastusastmega rooste.
Ning looduses leidubki raud vaid maagina (roostena), kust seda tuleb välja sulatada, suurendades produkti vabaenergiat (ja nii luues eelduse raua roostetamiseks).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 245J.W.Gibbs (1839-1903) - ameerika füüsik-teoreetik, peam. tööd keemil. termodünaamika ja statistil.

mehaanika alalt, üks vektorarvutuse loojaid.
Keemiliste protsesside termodünaamilise tasakaalu väljendamine Gibbsi energia kaudu.
Püsival rõhul ja temperatuuril sõltub G väärtus ainult süsteemi koostisest (keemil. reaktsiooni toimumisest).
Keemilise reaktsiooni käigus G väheneb, → Gmin (tasakaaluolek):
G = Gminvõi G = 0
Püsivat tasakaalu iseloomustab Gibbsi energia miinimum.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 246Keemilise reaktsiooni suuna ja tasakaaluoleku kriteeriumid
Gibbsi energia (vabaenergiat) - entalpiat ja

entroopiat ühendav termodünaamiline funktsioon (G)
G = H - TS
on Gibbsi energia definitsioonavaldis
kus G - Gibbsi energia
H - entalpia
S - entroopia

19. veebruar 2017. a.

Слайд 247Gibbsi energia muut ΔG
avaldub reaktsioonientalpia ΔH ja reaktsioonientroopia ΔS kaudu :
ΔG

= ΔH - TΔS Gibbsi energia abil on mugav väljendada keemiliste protsesside
tasakaalu (selles on tema kasutamise mõte)
ΔG saab arvutada
- ΔH ja ΔS kaudu
- reaktsioonis osalevate ainete tekkereaktsioonide ΔG väärtuste
kaudu (algebraline liitmine nagu tekke-entalpiate puhul)

19. veebruar 2017. a.

Слайд 248Iseeneslikud protsessid suletud süsteemis lõpevad alati tasakaaluolekuga.
Püsiva P ja T korral

võivad seega iseeneslikult toimuda vaid need keemil. reaktsioonid, mille puhul G väheneb:
ΔG < 0
alusel iseloomustab G vähenemine ainete reaktsioonivõimet, G konstantsus - süsteemi tasakaaluolekut (kui P ja T on püsivad) ja reaktsioon saab toimuda ainult eksotermilises (ΔH < 0) suunas (soojus eraldub).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 249 G muutumine keemilise reaktsiooni käigus.


G ja aine koostise

muutused süsteemis reaktsiooni toimumisel (A) lähteainete poolest rikkas või (B) saaduste poolest rikkas segus. Tasakaaluasend (C) on mõlemal juhul kokkulangev: süsteem ei suuda omaenese jõududega tasakaalust väljuda.
Keemilise reaktsiooni teostatavus.
Kõik iseeneslikud füüsikal. ja keemil. protsessid toimuvad Gibbsi energia
ΔG = ΔH - TΔS
vähenemise suunas.
Entalpia ja entroopia võivad protsessi jooksul kas väheneda või suureneda, kuid Gibbsi energia (vabaenergia) väheneb alati.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 250Iseeneslike protsesside puhul on alati ΔG

vähenemine (ΔH < 0) ja entroopia suurenemine (ΔS > 0)
Reaktsioonid, kus ΔG < 0, on võimalikud (liiguvad suunas:
lähteained (reagendid) → produktid.
Kuid see tingimus ei osuta reaktsioonide toimumise kiirusele (seda külge käsitleb keemiline kineetika).
Toodud avaldiste alusel on termodünaamiliselt alati võimalikud eksotermilised reaktsioonid (ΔH < 0), millede puhul tekivad gaasid (ΔS > 0).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 251Endotermilised reaktsioonid (ΔH > 0) saavad toimuda ainult entroopiafaktori mõjul, kui


TΔS >> 0.
See tingimus osutab, et
- temperatuur peab olema suhteliselt kõrge
- gaase peab eralduma rohkem, kui neid reaktsiooni astub.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 252 Gaaside neeldumisega negatiivse ruumalaefektiga reaktsioonid (ΔS < 0) on entalpiafaktori

mõju tõttu (kui ΔH << 0) võimalikud ainult madalatel temperatuuridel.
Kui gaasiliste ainete hulgad reaktsiooni käigus (ei muutu osakeste arv) ei muutu (Δn = 0) või kui reaktsioonis osalevad ainult vedelad ja tahked ained, siis ΔS ≈ 0

19. veebruar 2017. a.

Слайд 253Aine tekke standartne Gibbsi energia (ΔGf0) – standard Gibbs free energy

of formation. Gibbsi energia muutus ühe mooli aine moodustumisel elementidest nende stabiilsetest lihtainetest rõhul 1 bar.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 254Vabaenergia ja seotud energia.
Eelnevast tuleneb omakorda, et süsteemi siseenergiat U pole

võimalik täielikult tööks muuta.
Järelikult
võib siseenergiat vaadelda koosnevana kahest osast – vabast ja seotud energiast
U = Energiavaba + Energiaseotud
Ainult vabaenergia moodustab selle osa siseenergia varust, mida saab täielikult muuta tööks – selle kasutamine on tehniliselt teostatav.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 255Entroopia.
Iga energiavorm (mehhaaniline, elektriline, keemiline jt.) võib täielikult üle minna soojusenergiaks.
Vastassuunaline

muundumine ei saa kunagi olla täielik – osa soojusenergiast hajub ja ei ole konverteeritav tööks – madalakvaliteediline energia on väärtusetu
See tähendab,
et toimub energia osaline degradatsioon (kvaliteedi alanemine). Lähtudes selle kasutatavuse seisukohalt on kütmine elektriga mitte eriti arukas tegevus - (kontsentreeritud energia) elektrienergia degradeeritakse soojuseks (Gibbsi energia vabaneb), mis hajub ja entroopia maksimaliseerub.
Seega kütmine elektrienergiaga tulemuseks saame soojuse, kuid suurendame entroopiat.

19. veebruar 2017. a.

Слайд 256Tavatingimustes on molekulide kineetiline energia 2,5 kJ/mol ja aeg kahe omavahelise

põrke vahel 10-9…10-12 s.
Molekulide energia jaotub sarnaselt Gaussi kõveraga (tegelikult log-normaalse kõveraga, mille erijuhuks on Gaussi kõver) ning põrkumisel reageerivad eelkõige suurema energiaga molekulid – suurima keemiline aktiivsusega molekulid (näit. valentselektronid asuvad kõrgematel orbitaalidel).

19. veebruar 2017. a.

Слайд 257 Energia ja töö ühikute vahekordi 1J = 1N×m = 1 kg×m2/s2.
19. veebruar

2017. a.

Похожие презентации

Ядерный реактор 280
Основы активационного метода детектирования нейтронов 353
Криогенная техника в научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры 312
Физические основы квантовой теории. (Лекция 13.1) 509
Проекция силы на ось и на плоскость 981
Электромагнитные волны 309

Обратная связь

Если не удалось найти и скачать презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое ThePresentation.ru?

Это сайт презентаций, докладов, проектов, шаблонов в формате PowerPoint. Мы помогаем школьникам, студентам, учителям, преподавателям хранить и обмениваться учебными материалами с другими пользователями.

Для правообладателей

Яндекс.Метрика