termodinamica seminar
TRANSCRIPT
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
TermodinamicaTermodinamicaSeminar
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Ce este termodinamica?Ce este termodinamica?
Stiinta care studiaza transformarile reciproce ale Stiinta care studiaza transformarile reciproce ale diverselor forme de energie, in sisteme naturale sau diverselor forme de energie, in sisteme naturale sau artificialeartificiale
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Intrebari si discutii:Intrebari si discutii:
Descrieti fluxul de energie si transformarile suferite de energie pentru ca bobul de grau (samanta) sa se transforme intr-o felie de paine pentru un sandwich
Efectul de sera:
Wikimedia Commons
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Sisteme termodinamiceSisteme termodinamice
Sistem termodinamic = Sistem termodinamic = sistem sistem macroscopicmacroscopic, alcatuit dintr-, alcatuit dintr-un numar foarte mare (dar finit!) de particule care se afla in un numar foarte mare (dar finit!) de particule care se afla in interactiune energeticainteractiune energetica atat intre ele cat si cu mediul exterior atat intre ele cat si cu mediul exterior
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Care dintre urmatoarele sisteme este un sistem Care dintre urmatoarele sisteme este un sistem termodinamic?termodinamic?
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Starea sistemului – parametrii de stareStarea sistemului – parametrii de stare
Sunt marimi fizice masurabile care definesc starea Sunt marimi fizice masurabile care definesc starea unui sistem termodinamicunui sistem termodinamic
TemperaturaTemperatura PresiunePresiune
Numar de moliNumar de moli MasaMasa VolumVolum
Parametri intensivi:Parametri intensivi:➔ Nu depind de dimensiunea Nu depind de dimensiunea
sistemuluisistemului
Parametri extensivi:Parametri extensivi:➔ Depind de dimensiunea Depind de dimensiunea
sistemuluisistemului
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Parametrii de stareParametrii de stare
TemperaturaTemperatura – masura a agitatiei moleculare – masura a agitatiei moleculare
PresiuneaPresiunea – reflecta forta cu care moleculele lovesc peretii – reflecta forta cu care moleculele lovesc peretii vasului, raportata la suprafata peretilorvasului, raportata la suprafata peretilor
Wikimedia Commons Wikimedia Commons
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Legatura dintre p, V si TLegatura dintre p, V si T
Legea universala a gazelor:Legea universala a gazelor:
pV = pV = RTRT
p – presiunea gazuluip – presiunea gazului V – volumul ocupatV – volumul ocupat - numarul de moli- numarul de moli R – constanta universala a gazelor R – constanta universala a gazelor
(R = 8.314 J/kmol ∙K)(R = 8.314 J/kmol ∙K) T - temperaturaT - temperatura
Legea universala a gazelor:Legea universala a gazelor:
pV = pV = RTRT
p – presiunea gazuluip – presiunea gazului V – volumul ocupatV – volumul ocupat - numarul de moli- numarul de moli R – constanta universala a gazelor R – constanta universala a gazelor
(R = 8.314 J/kmol ∙K)(R = 8.314 J/kmol ∙K) T - temperaturaT - temperatura
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Intrebari, discutiiIntrebari, discutii
Explicati, pentru un sistem termodinamic izolat, prin prisma fenomenului de agitatie termica a moleculelor:
Ce se va intampla cu presiunea unui gaz, mentinut la volum constant, daca temperatura creste
Ce se va intampla cu volumului unui gaz mentiunt la presiune constanta daca temperatura creste
Ce se va intampla cu presiunea unui gaz mentiunt la temperatura constanta daca volumul creste
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Proces termodinamicProces termodinamic
Sunt treceri ale unui sistem dintr-o stare Sunt treceri ale unui sistem dintr-o stare termodinamica in altatermodinamica in alta
Procese Procese reversibilereversibile:: Cvasistatice (in orice moment sistemul se afla in echilibru Cvasistatice (in orice moment sistemul se afla in echilibru
termodinamic)termodinamic) Daca se inverseaza sensul de variatie al parametrilor, sistemul Daca se inverseaza sensul de variatie al parametrilor, sistemul
revine la starea initiala pe acelasi drum (va trece prin aceleasi stari, revine la starea initiala pe acelasi drum (va trece prin aceleasi stari, in ordine inversa)in ordine inversa)
Procese Procese ireversibileireversibile NecvasistaticeNecvasistatice Revenirea la starea initiala – pe alt drum, si prin interventie Revenirea la starea initiala – pe alt drum, si prin interventie
exterioaraexterioara
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
http://members.fortunecity.com/rickteuscher/index.html
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Intrebari, discutiiIntrebari, discutii
Dupa cateva ore de condus, temperatura aerului din camerele rotilor unei masini creste de la 17°C la 27°C. Cu cat la suta a crescut presiunea in roti?
In ce caz va creste mai mult volumul unui gaz, aflat intr-o incinta elastica (p = ct), dar izolata (nu exista pierderi de gaz) ?:
La incalzirea cu 10°C a 10 l de hidrogen La incalzirea cu 10°C a 10 l de dioxid de carbon
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Starea de echilibru termodinamicStarea de echilibru termodinamic
Parametrii de stare sunt Parametrii de stare sunt constanti in constanti in timptimp si in si in spatiuspatiu
Tendinta spontana a oricarui sistem termodinamic este de Tendinta spontana a oricarui sistem termodinamic este de evolutie catre starea de echilibru termodinamicevolutie catre starea de echilibru termodinamic
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Principiile termodinamiciiPrincipiile termodinamicii
Principiul 0 Tranzitivitatea echilibrului termic (daca obiectul A se afla in echilibru
termic cu B, si B se afla in echilibru termic cu C, atunci A si C sunt in echilibru termic)
Principiul I Conservarea energiei interne
Principiul II Entropia; sensul spontan de evolutie al sistemelor
(Principiul III) Entropia unui sistem de apropie de 0 cand temperatura sa se
apropie de 0 K.
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Principiul I al termodinamiciiPrincipiul I al termodinamicii
❒ Energia interna a unui sistemEnergia interna a unui sistem – parametru de stare extensiv:
➔ Reprezinta Reprezinta energia totala energia totala a unui sistema unui sistem
Energie Energie cineticacinetica:: TranslatieTranslatie RotatieRotatie Vibratie Vibratie
Energie Energie potentialapotentiala Atractie intre moleculeAtractie intre molecule Interactiune cu campuri externe Interactiune cu campuri externe
(electric etc)(electric etc) Energii intramoleculare, Energii intramoleculare,
intraatomiceintraatomice
Variatia energie interne depinde de starea initiala si finala, nu depinde de drum
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Formularea matematica a principiului I al Formularea matematica a principiului I al termodinamiciitermodinamicii
Energia interna a unui sistem (U) creste cand sistemul primeste Energia interna a unui sistem (U) creste cand sistemul primeste caldura (Q) din exterior si scade cand sistemul efectueaza lucru caldura (Q) din exterior si scade cand sistemul efectueaza lucru mecanic (L)mecanic (L)
CalduraCaldura – – transfer de energie datorat miscarii dezordonate a transfer de energie datorat miscarii dezordonate a moleculelormoleculelor (Q > 0 cand sistemul primeste caldura)(Q > 0 cand sistemul primeste caldura)
Lucrul mecanicLucrul mecanic – – transfer de energie datorat miscarii ordonate transfer de energie datorat miscarii ordonate a sistemului a sistemului (L > 0 cand sistemul efectueaza lucru mecanic)(L > 0 cand sistemul efectueaza lucru mecanic)
U=Q−L
Energia interna a unui sistem (U) creste cand sistemul primeste Energia interna a unui sistem (U) creste cand sistemul primeste caldura (Q) din exterior si scade cand sistemul efectueaza lucru caldura (Q) din exterior si scade cand sistemul efectueaza lucru mecanic (L)mecanic (L)
CalduraCaldura – – transfer de energie datorat miscarii dezordonate a transfer de energie datorat miscarii dezordonate a moleculelormoleculelor (Q > 0 cand sistemul primeste caldura)(Q > 0 cand sistemul primeste caldura)
Lucrul mecanicLucrul mecanic – – transfer de energie datorat miscarii ordonate transfer de energie datorat miscarii ordonate a sistemului a sistemului (L > 0 cand sistemul efectueaza lucru mecanic)(L > 0 cand sistemul efectueaza lucru mecanic)
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Principiul conservarii energieiPrincipiul conservarii energiei Principiul I al termodinamicii = PRINCIPIUL CONSERVARII Principiul I al termodinamicii = PRINCIPIUL CONSERVARII
ENERGIEIENERGIEI
Energia unui sistem nu se pierde, ci trece dintr-o forma intr-Energia unui sistem nu se pierde, ci trece dintr-o forma intr-altaalta
SistemSistem izolat izolat – – energia interna se conservaenergia interna se conserva
((U = 0)U = 0)
Exclude posibilitatea unui Exclude posibilitatea unui perpetuum mobile de speta I:perpetuum mobile de speta I:
Nu se poate construi o masina care sa produca lucru Nu se poate construi o masina care sa produca lucru mecanic fara consum de energiemecanic fara consum de energie
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Bilantul energetic al organismului
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Parametru de stareParametru de stare
Exprima gradul de dezordine al unui sistem Exprima gradul de dezordine al unui sistem termodinamictermodinamic
S=QT
● Q – caldura schimbata de sistem cu exteriorulQ – caldura schimbata de sistem cu exteriorul● T – temperatura la care are loc schimbul de caldurT – temperatura la care are loc schimbul de caldura
Principiul al II-lea - EntropiaPrincipiul al II-lea - Entropia
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
● Q – caldura schimbata de sistem cu exteriorulQ – caldura schimbata de sistem cu exteriorul● T – temperatura la care are loc schimbul de caldurT – temperatura la care are loc schimbul de caldura
Principiul al II-lea - EntropiaPrincipiul al II-lea - Entropia
Formularea BoltzmannFormularea Boltzmann Entropia exprima gradul de ordonare al particulelor din care este Entropia exprima gradul de ordonare al particulelor din care este
alcatuit sistemulalcatuit sistemul
S=k ln N
k – constanta lui Boltzmann (1.38 k – constanta lui Boltzmann (1.38 ·· 10 10-23-23 J/K) J/K) N – probabilitatea termodinamica a stariiN – probabilitatea termodinamica a starii
➔ Numarul de stari microscopice distincte care Numarul de stari microscopice distincte care formeaza o stare macroscopicaformeaza o stare macroscopica
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Principiul al II-lea - EntropiaPrincipiul al II-lea - Entropia
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Directii de evolutie spontana a sistemelor Directii de evolutie spontana a sistemelor termodinamicetermodinamice
Toate procesele care au loc spontan intr-un sistem termodinamic izolat au loc in sensul:
CRESTERII CRESTERII ENTROPIEIENTROPIEI
SCADERII SCADERII ENERGIEI ENERGIEI LIBERELIBERE
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Author: David van der Spoel, Uppsala University (Sweden), [email protected]
Title: Picosecond Melting of Ice by an Infrared Laser Pulse: A Simulation Study
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Intrebari, discutiiIntrebari, discutii
Care este sensul de variatie al entropiei in urmatoarele procese:➔ Sinteza unei proteine➔ Imbatranirea organismului➔ Ordonarea crescatoare a unui sir de numere intregi➔ Digestia nutrientilor➔ Incalzirea apei
Ce se intampla cu entropia unui sistem izolat?
Ce se intampla cu entropia intr-un proces reversibil?
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Forte si fluxuri termodinamiceForte si fluxuri termodinamice
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Forte si fluxuri termodinamiceForte si fluxuri termodinamice
Forte termodinamice = GRADIENTIGRADIENTI Diferente spatiale in valorile unor marimi scalare Marimi vectoriale – au un modul, o directie si un sens Exemple: gradienti de temperatura, de concentratie, de potential
electric
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Forte si fluxuri termodinamiceForte si fluxuri termodinamice
Fortele termodinamice determina aparitia fluxurilor termodinamice conjugate
Deplasari ale unor cantitati (masa, caldura, electricitate etc) dintr-o parte intr-alta a sistemului
Exprimate in cantitate / (suprafata x timp) Exemple:
Flux de substanta: Js [kg/(m2s)]
Flux de electricitate: Je [C/(m2s)]
Flux de caldura: Jc [J/(m2s)]
Fortele termodinamice determina aparitia fluxurilor fluxurilor termodinamicetermodinamice conjugate
Deplasari ale unor cantitati (masa, caldura, electricitate etc) dintr-o parte intr-alta a sistemului
Exprimate in cantitate / (suprafata x timp) Exemple:
Flux de substanta: Js [kg/(m2s)]
Flux de electricitate: Je [C/(m2s)]
Flux de caldura: Jc [J/(m2s)]
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Forte si fluxuri termodinamiceForte si fluxuri termodinamice
Fiecarei forte termodinamice Xi ii corespunde un
flux termodinamic conjugat Ji
Intr-un sistem in care o singura forta X determina aparitia unui singur flux J, acesta depinde direct proportional de X:
J=LX (L=coeficient de (L=coeficient de proportionalitate)proportionalitate)
Fiecarei forte termodinamice Xi ii corespunde un
flux termodinamic conjugat Ji
Intr-un sistem in care o singura forta X determina aparitia unui singur flux J, acesta depinde direct proportional de X:
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Ecuatiile fenomenologice liniare Ecuatiile fenomenologice liniare (Onsager)(Onsager)
Cand in sistem exista mai multi gradienti Xi, fiecare
flux conjugat Ji va depinde de toti gradientii din
sistem:
J 1=L11 X 1L12 X 2......L1n X n
J 2=L21 X 1L22 X 2......L2n X n
................................J i=∑Lij X j
LLijij = coeficienti fenomenologici = coeficienti fenomenologici
LLijij = L = L
jiji – – relatie de simetrie relatie de simetrie
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Ecuatiile fenomenologice liniare Ecuatiile fenomenologice liniare (Onsager)(Onsager)
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Starea stationaraStarea stationara
Este o stare de “echilibru dinamic”; parametrii de stare sunt constanti in timp, dar NU si in spatiu
Exista in permanent in sistem transformari de energie si schimburi cu exteriorul, dar nivelul acestora este constant
Poate aparea doar in sisteme neizolate, deoarece se poate mentine doar prin consum de energie furnizata din exteriorul sistemului
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Starea stationaraStarea stationara
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
ECHILIBRUECHILIBRU STARE STARE STATIONARASTATIONARA
Sistem izolatSistem izolat DADA NUNU
Parametrii de Parametrii de starestare
Constanti in timp Constanti in timp Constanti in timpConstanti in timp
Parametrii Parametrii intensiviintensivi
Constanti in spatiuConstanti in spatiu NU sunt constanti NU sunt constanti in spatiu in spatiu (exista gradienti in (exista gradienti in sistem)sistem)
Sursa de entropieSursa de entropie NulaNula Minima, dar Minima, dar nenulanenula
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Autoorganizare in sistemAutoorganizare in sistem
In anumite conditii, ca raspuns la perturbatii mari in sistem, acesta poate evolua catre o stare calitativ diferita de organizare = structura disipativa
Caracteristici: Frecvent, sisteme haotice (dependenta critica de conditiile initiale)
Grad inalt de organizare (structurare)
Aparitia spontana de anizotropie
Existenta in permanenta a fluxurilor in sistem, dar NU mai sunt valabile legile lui Onsager
Consum permanent de energie
In anumite conditii, ca raspuns la perturbatii mari in sistem, acesta poate evolua catre o stare calitativ diferita de organizare = structura disipativa
Caracteristici: Frecvent, sisteme haotice (dependenta critica de conditiile initiale)
Grad inalt de organizare (structurare)
Aparitia spontana de anizotropie
Existenta in permanenta a fluxurilor in sistem, dar NU mai sunt valabile legile lui Onsager
Consum permanent de energie
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Vartejurile lui BVartejurile lui Béénardnard
Strat subtire de lichid intre doua placi la temperaturi diferite
In lichid vor aparea vartejuri organizate (celule de convectie)
Modificat dupa Wikimedia Commons
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Oscilatorul Belousov-ZhabotinskyOscilatorul Belousov-Zhabotinsky
Oscilator chimic neliniar
Reactanti: bromat de potasiu, sulfat de ceriu (IV), acid propandedioic si acid citric in acid sulfuric diluat
Rezultat: oscilatii ale raportului dintre ionii de ceriu (IV) si ionii de ceriu (III) rezultati, ceea ce duce la modificari ciclice ale culorii solutiei
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
EmergentaEmergenta
In sisteme alcatuite din unitati (organisme) simple apar comportamente complexe ca urmare a actiunii colective
Aceste comportamente nu pot fi prezise pe baza studiului unui singur element al sistemului
Exemple:
Organizarea unui stol de pasari, a unui musuroi de furnici Functionarea circuitelor neuronale cerebrale
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)
Materiale suplimentareMateriale suplimentare
http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/
http://www.slideshare.net/ercolino/introductory-biological-thermodynamics
http://llk.media.mit.edu/projects/emergence/index.html