Structura discretă a substanței

În 1809 John Dalton a enunțat teoria atomică. Astfel:

Fiecare substanță pură sau element chimic este formată din particule extrem de mici numite atomi. Marimea și masa atomilor sunt aceleași pentru un element chimic, dar diferă de la un element chimic la altul. Atomii nu pot fi divizați și nici distruși. Substanțele compuse sunt formate din asociații de atomi numite molecule.

În 1828 Robert Brown a descoperit faptul că o particulă solidă (particule de polen) aflate în suspensie într-un lichid efectuează o mișcare haotică, spontană și permanentă, ce se intensifică odată cu creșterea temperaturii. Mișcarea poartă numele de mișcare browniană. Ea este prima descriere a agitației termice.

Agitația termică este mișcarea permanentă, haotică și spontană a atomilor sau moleculelor oricărui corp indifrent de starea lui de agregare. Agitația termică se intensifică odată cu creșterea temperaturii.

Difuzia este fenomenul de pătrundere a moleculelor unei substanțe printre moleculele altei substanțe datorită agitației termice. (Ex.: o picătură de cerneală pusă într-un pahar cu apă, fumul în aer, etc.)

Numărul lui Avogadro. Molul

În 1811 Amedeo Avogadro a emis ipoteza că la aceeași temperatură și presiune volume egale de gaze vor conține același număr de molecule.

O unitate atomică de masă reprezintă a doisprezecea parte din masa atomului de carbon 12.

$1 u = \frac{m\left({}_6{}^{12}C\right)}{12}\simeq 1,67·{10}^{-27} kg$

Masa atomică relativă este un număr care ne arată de câte ori masa unui atom este mai mare decât o unitate atomică de masă.

$A=\frac{m\left(atom\right)}{1u}$

Masa moleculară relativă este un număr care ne arată de câte ori masa moleculei este mai mare decât o unitate atomică de masă.

$M=\frac{m\left(moleculă\right)}{1u}$

Molul este cantitatea de substanță ce conține tot atâția atomi sau molecule ca și 12 g de carbon 12 pur.

Un mol reprezintă cantitatea de substanță a cărei masă în grame este numeric egală cu masa atomică sau moleculară relativă a substanței.

Un mol din orice substanță conține același număr de atomi sau molecule. Numărul se numește numărul lui Avogadro:

$N_A=6,023·{10}^{23}\frac{molecule}{mol}$

Masa unui mol se numește masă molară.

Sistem termodinamic

Sistemul termodinamic este un ansamblu de corpuri sau câmpuri macroscopice ce schimbă energiei între ele sau cu mediul exterior.

Ansamblul parametrilor de stare la un moment dat descriu sau determină starea sistemului termodinamic.

Prin parametru de stare înțelegem orice mărime fizică măsurabilă ce caracterizează sistemul termodinamic. Exemplu: presiunea - p, volumul - V, temperatura - T, masa - m, etc.

Parametri de stare pot fi:

• extensivi sau globali - cresc cu cantitatea de substanță, caracterizează sistemul termodinamic în ansamblul lui. Exemplu: volumul, masa, cantitatea de substanță, etc.
• intensivi sau locali - nu cresc odata cu cantitatea de substanță și descriu proprietățile locale ale sistemului termodinamic. Exemplu: presiunea, temperatura, etc.

Parametri de stare mai pot fi clasificați în:

• parametri de poziție ce descriu proprietățile spațiale ale sistemului termodinamic. Exemplu: volumul
• parametri de forță ce descriu interacțiile sistemului termodinamic. Exemplu: presiunea

Dacă parametri de stare ai unui sistem termodinamic sunt constanți în timp spunem că sistemul se află în echilibru termodinamic. La echilibru parametri de stare intensivi devin uniformi în interiorul sistemului. Un sistem termodinamic scos din starea de echilibru va evolua liber spre o nouă stare de echlibru termodinamic.

Proces termodinamic

Trecerea unui sistem termodinamic dintr-o stare de echilibru într-o sltă stare de echilibru se numește proces termodinamic sau transformare de stare. În general starea inițială și starea finașă sunt stări de echilibru. Dacă sistemul evoluează suficient de lent încât și stările intermediare să fie stări de echilibru. atunci procesul se numește cvasistatic.

Dacă sistemul poate reveni din starea finală în starea inițială trecând prin aceleași stări intermediare, procesul se numește reversibil.

Clapeyron a propus diagrama de evoluție a unui sistem termodinamic folosind coordonatele p - V.

Contactul sistemelor

Două sisteme termodinamice pot fi în contact mecanic sau în contact termic. Sistemele puse în contact evoluează spre o nouă stare de echilibru în care parmetri lor intensivi se egalizează.

În cazul contactului mecanic sistemele schimbă între ele lucru mecanic și își egalizează presiunea.

În cazul contactului termic sistemele schimbă între ele căldură și își egalizează temperatura.

Echilibrul termic

Două sisteme termodinamice aflate in contact termic schimbă între ele căldură. Ele vor tinde spre o stare de echilibru numit echilibru termic unde schimbul de căldură încetează. Echilibrul termic este o stare particulară a echilibrului termodinamic.

Principiul zero al termodinamicii (al tranzitivității echilibruli termic)

Dacă sistemul A este în echilibru termic cu sistemul C și sistemul B este în echilibru termic tot cu sistemul C, putem spune despre sistemele A și B că sunt în echilibru termic.

Temperatura

Spunem despre două sisteme termodinamice aflate în echilibru termic că au aceeași temperatură empirică. Temperatura este o măsură a stării de echilibru termic dintre sistemele termodinamice.

Scări de temperatură

Pentru a defini o scară de măsurat temperatura avem nevoie de cel puțin două puncte de referință, două stări de echilibru termic.

Celsius a ales cele două stări în raport cu transformările de stare de agregare ale apei la presiune atmosferică normală (1 atm).

Celsius a ales ca referință intervalul de temperatură dintre temperatura de topire a gheții la presiune atmosferică normală (echilibrul termic dintre starea solidă, starea lichidă și starea de vapori a apei la presiune atmosferică normală) și temperatura de fierbere a apei la presiune atmosferică normală (echilibrul termic dintre starea lichidă și starea de vapori a apei la presiune atmosferică normală). A împărțit intervalul în diviziuni de la 0 la 100, numite grade. Scara definită astfel poartă numele de scara Celsius sau scara centigradă.

Din calcule rezultă că cea mai mică temperatură posibilă este:

$-273,15°C$

Kelvin a propus ca această temperatură să devină egală cu 0 K si să avem doar temperaturi pozitive. Astfel:

$T\left(K\right)=t\left(°C\right)+273,15$

Scara Kelvin folosește același etalon de măsurat temperatura, adică:

$1K=1°C$

Termometru

Termometrul este un dispozitiv  ce conține o substanță numită corp termometric ce are o mărime fizică ce depinde de temperatură după o lege cunoscută. Pentru lichide  și gaze poate fi vorba de volum, pentru solide poate fi vorba de lungimea unui fir sau poate fi vorba de rezistența electrică a unui material.

Proces izobar. Legea Gay - Lussac

Un proces izobar este un proces care se petrece la presiune constantă.

O masă constantă de gaz încălzită sau răcită izobar (la presiune constantă) respectă următoarea lege empirică:

$V=V_0\left(1+\alpha t\right)$

unde

$\alpha =\frac{1}{273,16}°C^{-1}$

La presiune constantă, volumul unei mase constante de gaz depinde liniar de temperatură.

Repezentată grafic legea este o dreaptă a cărei prelungire intersectează axa temperturilor la -273,16 °C.

Dacă trecem la temperatura absolută atunci putem spune că la presiune constantă volumul unei mase constante de gaz este proporțional cu temperatura absolută.

Proces izocor. Legea Charles

Un proces izocor ese un proces care se petrece la volum constant.

O masă constantă de gaz încălzită sau răcită izocor respectă următoarea lege empirică:

$p=p_0\left(1+\alpha t\right)$

unde

$\alpha =\frac{1}{273,16}°C^{-1}$

La volum constant presiunea unei mase constante de gaz depinde liniar de temperatură.

Repezentată grafic legea este o dreaptă a cărei prelungire intersectează axa temperturilor la -273,16 °C.

Dacă trecem la temperatura absolută atunci putem spune că la volum constant presiunea unei mase constante de gaz este proporțională cu temperatura absolută.

Zero absolut

Orice masă de gaz va atinge volumul egal cu zero la -273,16 °C. De asemenea orice masă de gaz va avea presiunea nulă la -273,16 °C.

Pe scara absolută de temperatură această temperatură este 0K si este temperatura minimă absolută sau zero absolut, imposibil de atins.

Procese izoterme. Legea Boyle - Mariotte.

Procesul izoterm este procesul care se produce la temperatură constantă.

Empiric se poate demonstra că pentru o masă constantă de gaz aflată la temperatură constantă volumul gazului variază invers proporțional cu temperatura.

$pV=const$

Reprezentând grafic obținem:

Ecuația generală a gazelor. Ecuația Clapeyron - Mendeleev

Pentru o masă constantă de gaz, între oricare două stări ale gazului se poate scrie relația:

$\frac{p_1{V}_1}{T_1}=\frac{p_2{V}_2}{T_2}$ 

sau  

$\frac{pV}{T}=const.$

În condiții normale:

$$\begin{gathered} p_0=1,01·{10}^{5}Pa \\ {T}_0=273,16K \end{gathered}$$

volumul unui kilomol din orice gaz este:

$V_{\mu 0}=22,42m^3$

Constanta universală a gazelor sau constanta Mayer este:

$\frac{p_0{V}_0}{T_0}=R=8,314·{10}^3\frac{J}{kmol·K}$

Ecuația de stare termică a gazelor are forma:

$pV=\nu RT$  

sau  

$pV=N{k}_{B}T$

unde:

$$\begin{gathered} N - numărul de molecule ce formează gazul \\ {k}_B=1,381·{10}^{-23}\frac{J}{K} - cons\tan ta Boltzman \end{gathered}$$