termodinamica seminar

42
UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP) Termodinamica Termodinamica Seminar

Upload: andrei-lereniu

Post on 27-Jun-2015

505 views

Category:

Documents


10 download

TRANSCRIPT

Page 1: Termodinamica Seminar

UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)

TermodinamicaTermodinamicaSeminar

Page 2: Termodinamica Seminar

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

Page 3: Termodinamica Seminar

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

Page 4: Termodinamica Seminar

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

Page 5: Termodinamica Seminar

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?

Page 6: Termodinamica Seminar

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

Page 7: Termodinamica Seminar

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

Page 8: Termodinamica Seminar

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

Page 9: Termodinamica Seminar

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

Page 10: Termodinamica Seminar

UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)

Page 11: Termodinamica Seminar

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

Page 12: Termodinamica Seminar

UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)

Page 13: Termodinamica Seminar

UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)

http://members.fortunecity.com/rickteuscher/index.html

Page 14: Termodinamica Seminar

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

Page 15: Termodinamica Seminar

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

Page 16: Termodinamica Seminar

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.

Page 17: Termodinamica Seminar

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

Page 18: Termodinamica Seminar

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)

Page 19: Termodinamica Seminar

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

Page 20: Termodinamica Seminar

UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)

Bilantul energetic al organismului

Page 21: Termodinamica Seminar

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

Page 22: Termodinamica Seminar

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

Page 23: Termodinamica Seminar

UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)

Principiul al II-lea - EntropiaPrincipiul al II-lea - Entropia

Page 24: Termodinamica Seminar

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

Page 25: Termodinamica Seminar

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

Page 26: Termodinamica Seminar

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?

Page 27: Termodinamica Seminar

UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)

Forte si fluxuri termodinamiceForte si fluxuri termodinamice

Page 28: Termodinamica Seminar

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

Page 29: Termodinamica Seminar

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)]

Page 30: Termodinamica Seminar

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:

Page 31: Termodinamica Seminar

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

Page 32: Termodinamica Seminar

UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)

Ecuatiile fenomenologice liniare Ecuatiile fenomenologice liniare (Onsager)(Onsager)

Page 33: Termodinamica Seminar

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

Page 34: Termodinamica Seminar

UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)

Starea stationaraStarea stationara

Page 35: Termodinamica Seminar

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

Page 36: Termodinamica Seminar

UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)

Page 37: Termodinamica Seminar

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

Page 38: Termodinamica Seminar

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

Page 39: Termodinamica Seminar

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

Page 40: Termodinamica Seminar

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

Page 41: Termodinamica Seminar

UMF Carol Davila – Catedra de Biofizica Termodinamica – seminar (AP)

Page 42: Termodinamica Seminar

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