92 LUKU 6. FAASIEN JA FAASIMUUTOSTEN TERMODYNAMIIKKAAlorin sar<strong>ja</strong>ksi entropiafluktuaatioiden avulla, joten tasapainossa on pädettävä(δU) S,V,N = (δU) (1)V,N +(δU)(2) V,N( ) ∂U (1)= (δS (1) )+∂S V,N+ 1 ( ∂ 2 ) (1)U2 ∂S 2≥ 0.V,N( ) ∂U (2)∂S(δS (1) ) 2 + 1 2V,N(δS (2) )( ∂ 2 U∂S 2 ) (2)V,N(δS (2) ) 2 + ...Ensin todetaan, että ensimmäiset derivaatat ovat nollia tasapainotilassa.Lisäksi huomataan, että( ∂ 2 U∂S 2 )V,N= ∂∂S( ) ∂U=∂S V,N( ) ∂T= T∂S V,N C V<strong>ja</strong> käytetään ehtoa (6.2) sekä termisen tasapainon vaatimusta T (1) = T (2) , saadaan[ ](δU) S,V,N = 1 2 (δS(1) ) 2 1TC (1) + 1VC (2) ≥ 0. (6.3)VKoska systeemin <strong>ja</strong>ko kahteen osaan voidaan tehdä millä tavalla hyvänsä(tämä on saman tyyppinen a<strong>ja</strong>tuskulku kuin ‘kaikkien suuntien järkeily’), onepäyhtälö (6.3) voimassa aina vain, kun T/C V ≥ 0 eliC V ≥ 0. (6.4)<strong>ja</strong> on vaikea kuvi-( )Tämä onkin järkeenkäypä vaatimus , koska C V = d¯QdTtella lämpötilan laskevan jos systeemiin virtaa lämpöä.V,NTarkastellaan seuraavaksi Helmholtzin vapaata energiaa F(T, V, N). Helmholtzinvapaa energia minimoituu systeemissä, jossa lämpötila, tilavuus <strong>ja</strong>hiukkasmäärä ovat vakioita. Jaetaan tällainen systeemi kahteen osaan 1 <strong>ja</strong> 2siten, että osien tilavuudet ovat V (1) <strong>ja</strong> V (2) <strong>ja</strong> hiukkasmäärät N (1) <strong>ja</strong> N (2) . Oletetaan,että systeemissä 1 tapahtuu tilavuuden fluktuaatio δV (1) <strong>ja</strong> vastaavastisysteemissä 2 fluktuaatio δV (2) = −δV (1) , jolloin kokonaistilavuus säilyy vakiona.Oletetaan lisäksi, että hiukkasmäärän fluktuaatioita ei esiinny. 1Tasapainon vaatimusten mukaisesti1 Huomaa, että intensiivisiä ominaisuuksia, kuten lämpötilaa, ei voi <strong>ja</strong>kaa samalla tavalla kuinekstensiivisiä ominaisuuksia.
6.4. FAASIDIAGRAMMI JA GIBBSIN FAASISÄÄNTÖ (8.2, 8.3, 8.4) 93(δF) T,V,N = (δF) (1)T,N +(δF)(2) T,N( ) ∂F (1)= (δV (1) )+∂V T,N+ 1 ( ∂ 2 ) (1)F2 ∂V 2≥ 0.∂V 2 )T,NT,N( ) ∂F (2)∂V(δV (1) ) 2 + 1 2T,N(δV (2) )( ∂ 2 F∂V 2 ) (2)Taas ensimmäiset derivaatat ovat nollia tasapainossa. Koska( ∂ 2 F= ∂ ( ) ( )∂F∂P= − = 1∂V ∂V∂V Vκ TT,NT,NT,N(δV (2) ) 2 + ...<strong>ja</strong> koska tässäkin systeemin <strong>ja</strong>ko on mielivaltainen, on isotermisen kokoonpuristuvuudenoltava positiivinen:κ T ≥ 0. (6.5)Tämäkin tulos on(maalaisjärjen)mukainen, sillä kokoonpuristuvuus on∂Pmääritelty κ T ≡ −V1 , <strong>ja</strong> paineen kasvaessa tilavuuden täytyy kaiken∂V T,Njärjen mukaan pienentyä.Lisää stabiilisuusehto<strong>ja</strong> voidaan johtaa tarkastelemalla muiden ekstensiivistensuureiden fluktuaatioita <strong>ja</strong> muita termodynaamisia potentiaale<strong>ja</strong>. Jos termodynaaminenpotentiaali ondΦ =r∑i=1I i dX i −n∑j=r+1X j dI j , (6.6)missä X i :t ovat ekstensiivisiä <strong>ja</strong> I j :t intensiivisiä muuttujia, ovat stabiilisuusehdotlausuttavissa muodossa( ) ∂Ii0 ≤. (6.7)∂X i X 1 ,...,X i−1 ,X i+1 ,...X r ,I r+1 ,...,I n6.4 Faasidiagrammi<strong>ja</strong> Gibbsin faasisääntö (8.2, 8.3,8.4)Tarkastellaan aluksi kahta saman aineen tasapainossa olevaa faasia A <strong>ja</strong> B. Tasapainoehtojen(6.1) mukaanT A = T BP A = P Bµ A = µ B .
- Page 1 and 2:
TermofysiikanperusteetIsmo Napari j
- Page 3 and 4:
SISÄLTÖiii4.6 Entropia (5.3) . .
- Page 5 and 6:
Luku 1Johdanto1.1 Termofysiikan osa
- Page 7 and 8:
1.3. IDEAALIKAASUN TILANYHTÄLÖ (1
- Page 9 and 10:
1.3. IDEAALIKAASUN TILANYHTÄLÖ (1
- Page 11 and 12:
1.4. ESIMERKKEJÄ TILANYHTÄLÖIST
- Page 13 and 14:
2.2. LÄMPÖMITTARIT JA LÄMPÖTILA
- Page 15 and 16:
2.2. LÄMPÖMITTARIT JA LÄMPÖTILA
- Page 17 and 18:
3.1. TYÖ (2.2, 2.7) 13ten, että j
- Page 19 and 20:
3.2. EKSAKTIT JA EPÄEKSAKTIT DIFFE
- Page 21 and 22:
3.2. EKSAKTIT JA EPÄEKSAKTIT DIFFE
- Page 23 and 24:
3.3. TERMODYNAMIIKAN ENSIMMÄINEN P
- Page 25 and 26:
3.4. LÄMPÖKAPASITEETIT (2.5) 21Er
- Page 27 and 28:
3.5. KVASISTAATTISIA IDEAALIKAASUPR
- Page 29 and 30:
3.5. KVASISTAATTISIA IDEAALIKAASUPR
- Page 31 and 32:
3.5. KVASISTAATTISIA IDEAALIKAASUPR
- Page 33 and 34:
Luku 4Termodynamiikan toinenpääs
- Page 35 and 36:
4.1. TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA CARNO
- Page 37 and 38:
4.1. TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA CARNO
- Page 39 and 40:
4.3. CARNOT’N JÄÄKAAPPI JA LÄM
- Page 41 and 42:
4.4. IDEAALIKAASUKONEITA (5.2) 3754
- Page 43 and 44:
4.4. IDEAALIKAASUKONEITA (5.2) 39el
- Page 45 and 46: 4.5. CLAUSIUKSEN EPÄYHTÄLÖ (5.6)
- Page 47 and 48: 4.6. ENTROPIA (5.3) 43Systeemid¯W
- Page 49 and 50: 4.6. ENTROPIA (5.3) 45Adiabaattises
- Page 51 and 52: 4.7. SISÄINEN ENERGIA JA MAXWELLIN
- Page 53 and 54: 4.7. SISÄINEN ENERGIA JA MAXWELLIN
- Page 55 and 56: 4.8. ESIMERKKEJÄ ENTROPIAN MUUTOKS
- Page 57 and 58: 4.8. ESIMERKKEJÄ ENTROPIAN MUUTOKS
- Page 59 and 60: 4.9. ENTROPIAN DIFFERENTIAALI JA ER
- Page 61 and 62: 4.9. ENTROPIAN DIFFERENTIAALI JA ER
- Page 63 and 64: 4.11. TERMODYNAMIIKAN PÄÄSÄÄNN
- Page 65 and 66: 4.12. PISARAN TARINA, OSA 1: TAUSTA
- Page 67 and 68: 4.12. PISARAN TARINA, OSA 1: TAUSTA
- Page 69 and 70: 4.12. PISARAN TARINA, OSA 1: TAUSTA
- Page 71 and 72: 5.2. YMPÄRISTÖN KANSSA VUOROVAIKU
- Page 73 and 74: 5.2. YMPÄRISTÖN KANSSA VUOROVAIKU
- Page 75 and 76: 5.2. YMPÄRISTÖN KANSSA VUOROVAIKU
- Page 77 and 78: 5.3. VAPAAT ENERGIAT JA NIIDEN TASA
- Page 79 and 80: 5.3. VAPAAT ENERGIAT JA NIIDEN TASA
- Page 81 and 82: 5.4. MIKSI TERMODYNAAMISIA POTENTIA
- Page 83 and 84: 5.4. MIKSI TERMODYNAAMISIA POTENTIA
- Page 85 and 86: 5.4. MIKSI TERMODYNAAMISIA POTENTIA
- Page 87 and 88: 5.4. MIKSI TERMODYNAAMISIA POTENTIA
- Page 89 and 90: 5.5. PISARAN TARINA, OSA 2: VAPAAN
- Page 91 and 92: 5.5. PISARAN TARINA, OSA 2: VAPAAN
- Page 93 and 94: Luku 6Faasien ja faasimuutostenterm
- Page 95: 6.3. STABIILISUUS 91Kuva 6.1: Vakaa
- Page 99 and 100: 6.4. FAASIDIAGRAMMI JA GIBBSIN FAAS
- Page 101 and 102: 6.5. FAASIMUUTOKSEN KERTALUKU 97esi
- Page 103 and 104: 6.6. VAPAA ENERGIA-DIAGRAMMIT (8.1)
- Page 105 and 106: 6.7. CLAUSIUKSEN JA CLAPEYRONIN YHT
- Page 107 and 108: 6.7. CLAUSIUKSEN JA CLAPEYRONIN YHT
- Page 109 and 110: 6.8. FAASIMUUTOKSET JA VAN DER WAAL
- Page 111 and 112: 6.8. FAASIMUUTOKSET JA VAN DER WAAL
- Page 113 and 114: 6.8. FAASIMUUTOKSET JA VAN DER WAAL
- Page 115 and 116: 6.8. FAASIMUUTOKSET JA VAN DER WAAL
- Page 117 and 118: 6.9. PISARAN TARINA, OSA 3: TASAPAI
- Page 119 and 120: 6.9. PISARAN TARINA, OSA 3: TASAPAI
- Page 121 and 122: 6.9. PISARAN TARINA, OSA 3: TASAPAI
- Page 123 and 124: 6.9. PISARAN TARINA, OSA 3: TASAPAI
- Page 125 and 126: Luku 7Liuosten termodynamiikkaa7.1
- Page 127 and 128: 7.1. PARTIAALISET MOLEKYYLISUUREET
- Page 129 and 130: 7.2. LAIMEIDEN LIUOSTEN HÖYRYNPAIN
- Page 131 and 132: 7.3. OSMOOSI 127lisessä kappaleess
- Page 133: 129eliValitaan ensin dx ̸= 0 ja dz