background image

 

الثرموداينمك

المرحلة الثانية

Thermodynamic 


background image

2

الفصل األول

-

الخواص العامة للغازات

:

 


background image

3

 درجة الحرارة

C) Temperature 

نمك و التوازن الحراريٌادومرثلل يرفصلا نوناقلا

\

ن الغازاتٌناوق

:

ًن الغاز المثالٌناوق

:


background image

4

 

 سنتطرق خاللها بدراسة عالقة

T

مع

P , V , 

 

ثم اشتقاق القانون

:


background image

5

 

ةٌقٌقحلا تازاغلا


background image

6

معادلة فاندرفالز

:

ًالفصل الثان

-

نمكٌادومرثلل لولأا نوناقلا

:


background image

7

الفصل الثالث

-

ةٌرارحلا ءاٌمٌكلا

 

ةٌرارحلا ءاٌمٌكلا


background image

8

 

الشغل او توسع الشغل

 د و تحول الطاقة من ضغطٌربتلا ءادبم

 ،الى شغل

  .....

 


background image

9

 ةٌرارحلا تلاوحتلا


background image

10

الفصل الرابع

-

نمكٌادومرثلل ثلاثلاو ًناثلا نوناقلا

:


background image

11

الفصل الخامس

-

ًائٌمٌكلا نازتلااو ةرحلا ةقاطلا نٌب ةقلاعلا ًف ةمدقم

الفصل السادس

-

ًائٌمٌكلا نازتلأا


background image

12

من االتزانات االخرى

:


background image

13

 


background image

14

 

رات الطورٌغت

:


background image

15

مخططات حرارة

-

مكونات

:


background image

Thermodynamics 

Lecture 2


background image

2

خصائص الغازات

 

 الغاز المثالي

The perfect gas

We shall find it helpful to picture a gas as a 
collection of molecules (or atoms) in 

continuous 

random motion

, with 

average speeds that 

increase as the temperature is raised.

A gas differs from a liquid in that, 

except during 

collisions, 

the molecules of a gas are widely 

separated from one another and move in paths 
that are largely unaffected by intermolecular 
forces.


background image

3

1.1 The states of gases

The physical state of a sample 

of a substance, 

its physical condition, is defined by its physical properties. Two samples of a 

substance that have the same physical properties are in the same state. 

V, 

for example, is specified by giving its volume, 

The state of a pure gas

amount of substance (number of moles), n, pressure, p, 

   

and 

temperature

T

However, 

it has been established experimentally that it is sufficient to specify 

only three of these variables, for then the fourth variable is fixed. 

That is, it 

is an experimental fact that each substance is described by an equation of 

state, an equation that
interrelates these four variables. The general form of an equation of state is

معادلة الحالة

 :

 تلك المعادلة التي تربط المتغيرات االربعة

لوصف الحالة لتلك المادة

.

p =f(T,v,n)                          

(1.1)


background image

4

 

 فالمعادلة تلك تخبرنا

 :

This equation tells us that

, if we 

know the values 

 

of T, V, and n for a particular 

substance, then the pressure has a fixed value. 

is described by its own equation 

Each substance 

of state, but we know the explicit form of the 

equation in only a few special cases. 

One very important example 

is the equation of 

state of 

a 'perfect gas', 

which has the form:

p = nRT/V

where R is a constant. 

Much of the rest of this chapter will examine the 

origin of this equation of state and its 

applications.


background image

5

وحدات الضغط

:


background image

7

 

الضغط و وحداته

:

a) Pressure

(

[1,2a] In terms of base units,

Pressure is defined as force divided by the area to 

which the force is applied. The greater the force acting 

on a given area, the greater the pressure. The origin of 

the force exerted by a gas is the incessant battering of 

the molecules on the walls of its container. The 

collisions are so numerous that they exert an 

effectively steady force, which is experienced as a 

steady pressure.

defined as 

is 

(Pa), 

pascal

, the 

The SI unit of pressure

newton per metre-squared

: 1 Pa= 1 Nm

-2

 


background image

8

 وهناك عدد اخر من الوحدات مازال يستخدم كما في الجدول

السابق

Several other units are still widely used (Table 1.1); of these 
units, the most commonly
used are atmosphere (1 atm = 1.013 25 x 105 Pa exactly) and bar 
(1 bar = 105 Pal. A pressure of 1 bar is 

the standard pressure 

for reporting data; we denote it 

pᶱ.


background image

8

قياس الضغط

:

(b) The measurement of pressure

The pressure exerted by the atmosphere is 
measured with 

a barometer

. The original version 

of a barometer (which was 

invented by Torricelli,

a student of Galileo

) was an inverted tube of 

mercury sealed at the upper end. When the 
column of mercury is in mechanical equilibrium 
with the atmosphere, the pressure at its base is 

 

equal to that exerted by the atmosphere. It 
follows that the height of the mercury column is 
proportional to the external pressure.


background image

9

قياس الضغط

:


background image

10

 الجواب

:

وإذا كان السطح مائال او محدبا او مقعرا فيحسب كمايلي

:

Derive an expression for the pressure at the base of a column of 

liquid of length I held at an angle 

e

(theta) to the vertical (1). 

p = ρ gℓ cos

ϴ


background image

11

انواع مقاييس الضغط

:

 

The pressure of a sample of gas inside a container is 

measured by using a pressure gauge, which 

is a device 

with electrical properties that depend on the pressure

For instance, 

Bayard-Alpert pressure gauge 

is 

based 

on the ionization of the molecules present in the gas 

and the resulting current of ions is interpreted in terms 

of the pressure. 

In a capacitance manometer

, the deflection of a 

diaphragm relative to a fixed electrode is monitored 

through its effect on the capacitance of the 

arrangement. 

Certain semiconductors 

also respond to pressure and are 

used as transducers in solid-state pressure gauges.


background image

12

 

درجة الحرارة

:

(c) Temperature
The concept of temperature springs from the observation 

that a change in physical state (for example, a change 

of volume) can occur when two objects are in contact 

with one another, as when a red-hot metal is plunged 

into water. Later (Section 2.1) we shall see that the 

change in state can be interpreted as arising from a 

flow of energy as heat from one object to another

. The 

is the property that indicates the 

T, 

temperature, 

direction of the flow of energy through a thermally 

conducting, rigid wall

. If energy flows from A to B when 

they are in contact, then we say that A has a higher
temperature than B (Fig. 1.2).


background image

13

It will prove u

seful to distinguish between two

    

types of boundary that can separate the objects. 

thermally conducting)

(

diathermic

A boundary is 

if a change of state is observed when two objects
at different temperatures are brought into contact.    

A metal container has 

diathermic

walls. A boundary

if no change 

thermally insulating)

(

adiabatic 

is 

occurs even though the two objects have different

is an approximation to an adiabatic 

vacuum flask 

temperatures. A 

container


background image

14

The temperature 

is a property that indicates whether two objects would be in 

boundary

diathermic

if they were in contact  through a 

thermal equilibrium

Thermal equilibrium 

is established if no change of state occurs when two objects 

A to B are in contact through a diathermic boundary

. Suppose an object 

(which we can think of as a block of iron)

is in thermal equilibrium with

uppose an object A (which we can think of as a block of iron) is in 
thermal equilibrium with an 

object B (a block of copper), 

and

that B is also in thermal equilibrium with another 

object C (a flask 

of water). 

Then it has been found experimentally that A and C will 

also be in thermal equilibrium when they are put in contact (Fig. 
1.3). 

This observation is summarized by the Zeroth Law of 
thermodynamics:

If A is in thermal equilibrium with B, and B is in thermal equilibrium 
with C, then C is also in thermal equilibrium with A


background image

15

This observation is summarized by the:

:

Law of thermodynamics

Zeroth

If A is in thermal equilibrium with B, and B is in thermal equilibrium with C, 
then C is also in thermal equilibrium with A


background image

16

In the early days of thermometry 

(and still in laboratory practice today), 

temperatures were related to the length of a column of liquid, and the 
difference in lengths shown when the thermometer was 

first in contact 

with melting

 

ice 

and then 

with boiling water 

was divided into 100 steps 

called' degrees', the lower point being labelled 0.This procedure led to the 

  

Celsius scale 

of  temperature. In this text, temperatures ϴ.

hermodynamic and Celsius temperatures are related by the exact 
expression

 

 (

(1. 4

 

   ..........

T/K= ϴ/ ⁰ C + 273.1

This relation, 

in the form ϴ/ ⁰ C = T/K - 273.15, 

is the current definition of the 

 

Celsius  scale in terms of the more fundamental Kelvin scale. It implies that 
a difference in temperature of 1°C is equivalent to a difference of 1 K.


background image

17

A note on good practice We write 

T = 0, not T = 0 K for the zero temperature on the thermodynamic temperature 
scale. 

This scale is absolute

, and the lowest temperature is 0 regardless of the 

size of the divisions on the scale (just as we write
p = 0 for zero pressure, 
regardless of the size of the units we adopt, such as bar or pascal). However, we 

write O°C because the Celsius 

scale is not 

absolute

.

To express 25.00°C as a temperature in Kelvins, we use eqn. 1.4 
to write
TIK = (25.00°C)

/ ⁰ C

+ 273.15 = 25.00 +273.15 = 298.15 

Note

how the units (in this case, 

⁰ C

) are cancelled like numbers. This is the 

procedure called 'quantity calculus' in which a physical quantity (such as 
the temperature) is the product of a numerical value (25.00) and a unit (1 

⁰ C

).

Multiplication of both sides by the unit K then gives 

T = 298.15 K

.


background image

18

 

The gas laws

.

1

The equation of state of a gas at low pressure was established by combining a series of 
empirical laws.

a) The perfect gas law

(
We assume that the following individual gas laws are familiar: 

                 

Boyle's law:   

pV = constant, at constant n, T                        …..(1.5 

Charles's law: 

V = constant X T, at constant n, p ………………..(1.6 a)°

 

  

p = constant X T, at constant n, V

…………….(1.6b)°

Boyle's 

and 

Charles's laws

are examples of a 

limiting law

, a law that is strictly true 

only

Avogadro's principler

V = constant X n at constant p,T   ……….(1.7 )°

 

Boyle's and Charles's laws 

are examples of a 

limiting law

, a law that is 

strictly true only in a certain limit, in this case   p      0. 

 


background image

19

Boyle's law: pV = constant, at constant n, T


background image

20

   

Charles's law: V = constant X T, at constant n, p    …  ……(1.6a)

 

   

p = constant X T, at constant n, V  …………(1.6b)

 

   

Avogadro's principler' V = constant X n at constant p, T ….(1.7)

 

ccording to Boyle's law, 

the isotherms of gases are hyperbolas

An alternative depiction, a plot of pressure against l/volume, 
is shown in Fig. 1.5

   


background image

21

An alternative depiction, a plot of pressure 
against 

l/volume

, is shown in Fig. 1.5. 

The 

linear variation of volume with temperature 
summarized by 

Charles's law 

is illustrated in 

Fig. 1.6


background image

22

Figure 1.7: 

illustrates the linear variation of 

pressure with temperature. 

The lines in this diagram are 

isochores

, or lines 

showing the variation of properties at 

constant volume


background image

23

The empirical observations 

summarized by eqns 1.5-7 

can be combined into a single expression:
p V = constant x nT
This expression is consistent with 

Boyle's law 

(p V = constant) when n and T are 

of 

with both forms 

stant, 

con

Charles's law 

(  

p αT

,    

V α T  

) when 

n

and either 

V

or pare 

held constant, and with 

Avogadro's principle (V α n) 

when 

p

and 

T

are constant. 

The constant of proportionality, which is 

found 

experimentally to be the same for all gases, is denoted 

R and called the gas constant

. The resulting expression

 

pV=nRT

is the perfect gas equation


background image

24

Molecular interpretation 1.1 Thekinetic model of gases


background image

Lecture 3

Molecular interpretation 1.1 

Thekinetic model of gases

ًئٌزجلا حٌضوتلا

 للغازاتًكرحلا جذومنلا


background image

2

 ًئٌزجلا حٌضوتلا نا

 لٌوب نوناقل

 نة من الغازٌع تطغُض اذا وه

  تصطدمًتلا تائٌزجلا ددع فعاضتٌس هناف همجح فصن ىلا

ة الضغطٌلمع ءارجا لبق ةٌنمزلا ةرتفلا للاخ نٌترمب رادجلاب

exerted on the walls 

the average force 

As a result, 

is doubled. 

Hence, when the volume is halved 

the 

pressure of the gas is doubled

and p x V is a 

constant.

Boyle's law applies to all gases regardless of their 

chemical identity (provided the pressure is low) 

average separation 

because at low pressures the 

that they exert no 

is so great 

of molecules 

influence on one another and hence travel 

independently.  


background image

3

The molecular explanation of Charles's law 

lies in 

the fact that 

raising the temperature of a gas 

increases the average speed 

of its  molecules 

collide with the walls more frequently and with 
greater impact. Therefore they exert a greater 
pressure on the walls of the container molecules. 

  للغازاتًكرحلا جذومنلا طورشب اٌمك تصخل ةٌعونلا صئاصخلاف

اتٌضرف ثلاث ىلع دنتسٌ يذلا و

:

are expressed 

These qualitative concepts 
quantitatively in terms of the kinetic model of 
gases, which is described more fully in Chapter 
21. Briefly, the kinetic model is based on three 
assumptions:


background image

4

 

1. The gas consists of molecules of mass m in 
ceaseless random motion. 
2. The size of the molecules is negligible, in the 

 

sense that their diameters are much smaller 
than the average distance travelled between 
collisions. 
3. The molecules interact only through brief, 
infrequent, and elastic collisions.

An elastic collision 

is a collision in which the total 

translational kinetic energy of the molecules is 
conserved.


background image

5

From the very economical assumptions of the kinetic 

model

, it can be deduced 

(as we shall show in detail in 

Chapter 21) 

that the pressure and volume of the gas 

are related by

pV= ⅓ nM

C

2

………………………… (1.9)°

the molar mass of the molecules, and 

A

N

m

where M = 

, the 

the root mean square speed of the molecules

is 

square root of the 

 

mean of the squares of the speeds, ʋ,

We see that, if the root mean square speed of the 

molecules depends only on the temperature, then at 

constant temperature
p V =constant

 لٌوب نوناق وه اذهو

which is the content of Boyle's law

 


background image

6

pV= ⅓ nM

C

2

………………………… (1.9)°

Moreover, for 

eqn 1.9 to be the equation of

state of a perfect gas

, its right-hand side must be equal 

to nRT. It follows that the root mean square speed of 
the molecules in a gas at a temperature T must be

  
  

the root mean square speed of 

that 

We can conclude 
the molecules of a gas is proportional to the square 
root of the temperature and  

inversely proportional 

to the square root of the molar mass. 

The root mean square speed of N

2

molecules, for instance, is 

found from eqn 1.11 to be 515 m S

-1

at 298 K


background image

7

plot of the pressure of 

is a 

.

1

The surface in Fig. 

its 

against

a fixed amount of perfect gas 

volume 

and thermodynamic temperature as 

given by eqn 1.8. 
The surface depicts the only possible states of a 
perfect gas: the gas cannot exist in states that 
do not correspond to points on the surface. 
The graphs in Figs. 1.4 and 1.6 correspond to the 
sections through the surface (Fig. 1.9)


background image

8


background image

9

Example 1.2 Using the perfect gas equation

In an industrial process, nitrogen is heated to 500 K in a vessel of constant 
volume. If it enters the vessel at 100 atm and 300 K, what pressure would 
it exert at the working temperature if it behaved as a perfect gas?

We expect the pressure to be greater on account of the increase in 

Method  
temperature. The perfect gas law in the form PV/ nT = R implies that, if the 
conditions 
are changed from one set of values to another, then because 

, the two sets of values are related by 

to a constant

equal 

is 

nT

PV/

 

The combined gas law 

The known and unknown data are summarized in (2)


background image

10

Answer

Cancellation of the volumes (because V

1

= V

2

) and amounts 

(because n

1

=n

2

) on each side of the 

combined gas law results 

in

Experiment shows that the 

pressure is actually 183 atm under these conditions, so the 

assumption that the gas is perfect leads to a 10 per cent error

what temperature would result in the same sample exerting a pressure of300 atm? [900 K

]


background image

11

MPACT ON ENVIRONMENTAL SCIENCE

11.1 The gas laws and the weather

The biggest sample of gas readily accessible to us is 
the atmosphere, a mixture of gases with the 
composition summarized in Table 1.3. The 
composition is maintained moderately constant 
by diffusion and convection (winds, particularly 
the local turbulence called 

eddies

) but the 

pressure and temperature vary with altitude and 
with the local conditions, particularly in the 

(the 'sphere of change'), the layer 

troposphere

extending up to about 

11 km

.


background image

12


background image

13

C at sea level, 

°

15

the average temperature is 

In the troposphere 
falling to -57°C at the bottom of the tropopause at 11km. This 
variation is much less pronounced when expressed on the Kelvin 
scale, ranging from 288 K to 216 K, an average of268 K. If we 
suppose that the temperature has its average value all the way up 
to the tropopause, then the pressure varies with altitude, h, 
according to 

the barometric formula

where p

₀ 

is the pressure at sea level and H is a constant approximately 

equal to 8 km. 
More specifically, 
H = RTIMg, 
where M is the average molar mass of air and T is the temperature. 
The barometric formula fits the observed pressure distribution quite 

).

10

.

1

(see Fig. 

troposphere 

well even for regions well above the 


background image

14

  


background image

16

(b) Mixtures of gases

When dealing with gaseous mixtures, we often need to know the 
contribution that each component makes to the total pressure 
of the sample. The partial pressure, P

J

of a gas 

J

in a mixture (any 

gas, not just a perfect gas), is defined as

of the component J, the amount of J expressed 

the mole fraction 

is 

J

x

where 
as a fraction of the total amount of molecules, n, in the sample:

 


background image

16

When no J molecules are present, x

J

=0; when 

only J molecules 

are present, x

J

= 1. It follows from the definition of x

J

that, whatever 

the composition of the mixture, x

A

x

B

+ ... = 1 and therefore that 

the sum of the partial pressures is equal to the total pressure:

. When all 

This relation is true for both real and perfect gases

the gases are perfect, 

the partial pressure as defined in eqn

1.13 is also the pressure that each gas would occupy if it 

occupied the same container alone at the same 

temperature. 

The latter is the original meaning of 'partial 

pressure'. That identification was the basis of the original 

formulation of 

:

Dalton's law

The pressure exerted by a mixture of gases is the sum of the 

pressures that each one would exist if it occupied the 

container alone


background image

17

Example 1.3 Calculating partial pressures

The mass percentage composition of dry air at sea level is approximately N

2

: 75.5; O

2

23.2;  Ar: 1.3. What is the partial pressure of each component when the total 
pressure is 1.00 atm?
Method We expect species with a high mole fraction to have a proportionally high 
partial pressure. Partial pressures are defined by eqn 1.13. To use the equation, we 
need the mole fractions of the components. To calculate mole fractions, which are 
defined by eqn 1.14, we use the fact that the amount of molecules J of molar mass 
MJ in a sample of mass 
m

J

is n

J

= m/ M

J

• The mole fractions are independent of 

the total mass of the sample, so we can choose the latter to be 100 g (which makes 
the conversion from mass percentages very easy). Thus, the mass of N, present is 
75.5 per cent of 100 g, which is 75.5 g.
Answer The amounts of each type of molecule present in 100 g of air, in which the 
masses of N

2

, 0

2

' and Ar are 75.5 g, 23.2 g, and 1.3 g, respectively, ar


background image

18


background image

19

ةٌقٌقحلا تازاغلا


background image

Lecture 4

Realgases

 ةٌقٌقحلا تازاغلا


background image

2

Real gases

Real gases do not obey the perfect gas law exactly. 

Deviations 

and 

high pressures 

at 

particularly important 

are 

from the law

low temperatures, especially when a gas is on the point of 
condensing to liquid


background image

3

1.3 Molecular interactions
Real gases show deviations from the perfect gas 
law because molecules interact with one 
another. 

Repulsive forces 

between molecules 

assist expansion and 

attractive forces 

assist 

compression

 ان سبب حيود الغازات عن السلوك المثالي يعود لتحاث

 الجزيئات مع بعضها فهناك

 قوى تنافر

 تعمل على تمدد الغاز

 و قوى تجاذب

 تعمل على تضاغط الجزيئات


background image

4

are significant only when molecules are 

Repulsive forces 

almost in contact:

they are short -range interactions, even on 

a scale measured in molecular diameters (Fig. 1.13). Because 
they are short-range interactions, 

Repulsions

can be expected 

to be important 

only when the 

average separation of the molecules is small. This is the case 
at high pressure, when many molecules occupy a small 

attractive intermolecular forces 

volume. On the other hand, 

have a relatively long range and are effective over several 

They are important when the molecules 

molecular diameters.

are fairly close together but not necessarily touching (at the 
intermediate 

separations in Fig. 1.13).  


background image

5

 الشكل

1.13

 

:

 

 رٌغتب دهجلا ةقاط ًف رٌغتلا

نٌئٌزج نٌب ةلصافلا ةفاسملا

 .

 اذ

 تنشاء طاقة

 ة و موجبةٌلاع دهج

 ئاتٌزجلا نٌب ةرٌصق ةفاسم دنع

 نهماٌب ثاحتلا نا نٌبتل

 هو تنافر

 قوي

عند تلك المسافات

 .

 و عند

 مسافات متوسطة عندما تكون

 عندها

 طاقة الجهد سالبة

 فإن التحاث

 هو تجاذب

 ًو تكون هذه القوى ه

طرةٌسملا وا ةدئاسلا

.

 

 رة فإن طاقةٌبك تافاسم دنع و

 الجهد تساوي صفر ومن ثم فال

 أتٌزجلا نٌب ثاحتل دوجو


background image

6

a) The compression factor

(

The compression factor, Z, of a gas is the ratio of its measured molar 

volume, V

m

= V/n 

to the molar volume of a perfect gas, V

m

at the same pressure and 

temperature:

an 

RT/p,

to 

equal

the molar volume of a perfect gas is 

Because 

equivalent expression is: 

Z=RT/p V

m

,   

which we can write as:

Because for a perfect gas Z = 1 under all conditions

, deviation of Z   a 

measure of departure from perfect behavior. 

 مةٌق دوٌح نا

 

 عن

1

 

ًود الغاز عن السلوك المثالٌح ىلع لٌلد نوكت


background image

7

Some experimental values of Z are plotted 

in Fig. 1.14. 

the gases shown 

, all 

At very low pressures

have Z ≈1 and behave nearly perfectly. 

1

, all the gases have Z> 

At high pressures

signifying that they have a larger molar 

volume than a perfect gas. 

At 

Repulsive forces are now dominant. 

, most gases 

intermediate pressures

have Z < 1, indicating that the attractive 

forces are 

reducing the molar volume 

relative to that of a perfect gas.

الحظ

 :

  عامل التضاغطًف   فلاتخلاا رواجملا لكشلا ًف

Z

 

مع الضغط و لغازات عدة

.

 

 فعند  درجة

0 ⁰C 

  

 ملكٌ ًلاثملا زاغلا نإف

Z=1

 

 عٌمج دنع

 اتٌنحنملا نا نم كلذ نم مغرلا ىلع نكل و طوغضلا

 ـتقترب  من ال

1

 

  كلما

p

0

  

ل مختلفةٌم مٌق اهلف


background image

8

 معامالت فيلاير

b) Virial coefficients

Figure 1.15 shows the experimental isotherms for carbon dioxide. 
At large molar volumes and high temperatures the real-gas isotherms do not 
differ greatly from perfect-gas isotherms. 
The small differences suggest that the perfect gas law is in fact the first term 
in an expression of the form  

This expression is an example of a common procedure in physical chemistry, 
in which a simple law that is known to be a good first approximation (in 
this case pV = nRT) 


background image

9

  الشكل المجاورًف

 :

 ًانٌب لٌثمت

 د الكاربونٌسكوا ًتاثل ًمرٌثوزٌا

ةٌرارحلا تاجردلا نم ددعل و

  .

 المخطط االيزوثيرمي الحرج هو

 هٌلع عقت يذلا

الدرجة الحرارية الحرجة

 

 كانت

 عند

31.04⁰C

   

 شرت بنجمةُأ دق ةجرحلا ةطقنلا و

على المخطط


background image

10

reated

as the first term in a series in powers of a variable 

(in this case 

p). A more convenient expansion for many applications is 

 

These two expressions are two versions of the viriaI equation of state.  

By comparing the expression with eqn 1.17 we see that the term in 

parentheses can be identified with the compression factor, Z.

which depend on the temperature, are the 

B, C, ... , 

The coefficients 

second, third, ... 

viriaI coefficients 

(Table lA); the first virial coefficient is 1. 

The third virial coefficient, C, 

is usually less important than the second 

coefficient, B, 
in the sense that at typical molar volumes  
C/V

2

<< B/V

m


background image

11

We can use the virial equation 

to demonstrate the 

important point that, although the equation of state of a real gas may 
coincide with the perfect gas law as p

0 , not all its properties necessarily 

coincide with those of a perfect gas in that limit. 
Consider, for example, the value of 

dZ/dp, the slope of the graph of 

compression factor against pressure

For a perfect gas dZ/dp = 0 (because Z =1 at all pressures), but for a real gas 
from eqn 1.18 we obtain 

However, B' is not necessarily zero, 

so the slope of Z with respect to 

p

does 

not necessarily approach 0 (the perfect gas value), as we can see in Fig. 
1.14.

Because several physical properties of gases depend on derivatives, 

the properties of real gases do not always coincide with the perfect gas 
values at low pressures.  


background image

12

 شكل

1.16

 

 عامل التضاغط

Z

 

 قترب منٌ

1

 

 عند ضغوط

 ل مختلفة و بالنسبة للغازاتٌم مٌقب اهنكل و ةئطاو

 رٌغتت دق و ابلاس وا ابجوم لاٌم امهلاك انوكٌ دق ةٌقٌقحلا

ر درجات الحرارةٌغتب مٌقلا

 .

 كونٌ لٌوب ةجرد دنع و

 ا ضمن مدىٌلاثم كلسٌس زاغلا و رفص يواسٌ لٌملا

 واسع

 من الشروط مقارنتا

بدرجات الحرارة االخرى

.


background image

13

the properties of the real gas 

'

B

T

temperature

BoyIe

do coincide with those of a perfect gas as p

0.

According to eqn 1.20b, Z has zero slope as p

0  if B = 0, 

so we can conclude that B = 0 at the Boyle temperature

. It then 

follows from eqn 1.19 that pV

m

≈  RT

B

over a more extended 

range of pressures than at other temperatures because the 
first term after 1 (that is, B/V

m

) in the

virial equation is zero and C/V

m

and higher terms are negligibly 

small. For helium T

B

=22.64 K; for air T

B

=346.8 K; more values 

are given 

in Table 1.5


background image

14

الجدول


background image

15

(c) Condensation

Now consider what happens when we compress a sample of gas initially in 

the state marked A in Fig. 1.15 at constant temperature (by pushing in a 

piston). Near A, the pressure of the gas rises in approximate agreement 

with Boyle's law. Serious deviations from that law begin to appear when 

the volume has been reduced to B.
At C (which corresponds to about 60 atm for carbon dioxide), all similarity to 

perfect behavior is lost,

for suddenly the piston slides in without 

any further rise in pressure

: this 

stage is represented by the horizontal line CDE. Examination of the 

contents of the vessel shows that just to the left of C a liquid appears, and 

there are two phases separated by a sharply defined surface. 

the amount of liquid 

As the volume is decreased from C through D to E,

There is no additional resistance to the piston because the gas 

increases. 

can respond by condensing.

The pressure corresponding to the line CDE, 

is called the 

are present in equilibrium

vapour

when both liquid and 

vapour pressure of the liquid at the temperature of the experiment

.

and the piston rests on its surface. Any 

the sample is entirely liquid 

At E,

further reduction of volume requires the exertion of considerable 

pressure, as is indicated by the sharply rising line to the left ofE. Even a 

small reduction of volume from E to F requires a great increase in pressure


background image

16

d) Critical constants

(

The isotherm at the temperature T

c

; (304.19 K, or 31.04  °C  for 

CO

2

) plays a special role in the theory of the states of matter. 

 

An isotherm slightly below T

c

, behaves as we have already described: at a 

certain pressure, a liquid condenses from the gas and is distinguishable from it 
by the presence of a visible surface.

The temperature, pressure, and molar 

The critical point of the gas

volume at the critical point 

are called the critical temperature, 

T

c

, critical 

 

pressure, P

c

, and  critical molar volume, V

c

, of the substance. 

Collectively, P

c

, V

c

, and T

c

are the critical constants of a substance (Table 

1.5). 

that occupies the entire 

a single phase 

the sample has 

c

T

At and above 

a gas. 

by definition,

volume of the container. Such a phase is, 


background image

17

, for instance, 

The critical temperature of oxygen

signifies that it is impossible to produce liquid 
oxygen by compression alone if its 
temperature is greater than 155 K: to liquefy 
oxygen-to obtain a fluid phase that does not 
occupy the entire volume-the temperature 
must first be lowered to below 155 K, and 
then the gas compressed isothermally. The 
single phase that fills the entire volume when 
T> T

c

; may be much denser than we normally 

consider typical of gases, and the name 
supercritical fluid is preferred


background image

Lecture 5

1.4 The van der Waals equation


background image

2

 

1.4 The van der Waals equation:

We can draw conclusions from the virial equations of state only by inserting specific 
values of the coefficients. It is often useful to have a broader, if less precise, view 
of all gases. Therefore, we introduce the approximate equation of state suggested 
by J.D. van der Waals in 1873. This equation is an excellent example of an 
expression that can be obtained by thinking scientifically about a mathematically 
complicated but physically simple problem, that is, it is a good example of 'model 
building'.

The van der Waals equation is:

and a derivation is given in Justification 1.1. The equation is often written in 
terms of the molar volume V

m

= V/ n as: 


background image

3

The constants and are called the van der Waals coefficients. 

They are characteristic of each gas but independent of the temperature 
(Table 1.6).

 الثابتان

a

 

 و

b

 

 يدعيان بمعامالت فاندرفالز و هما مميزان لذلك الغاز و اليعتمدان على درجة

الحرارة

.


background image

4

 ايضاح

 :

1

.

1

 

 :

 معادلة فاندر فالز كمعادلة حالة

  :

 

 ئات تسلكٌزجلا نا نم مغرلا ىلعو نابسحلاب ذخؤٌ تائٌزجلا نٌب رفانتلا رٌثأت نا

 ر قابلة لالختراق أي صلدةٌغو ةرٌغص تارك كولسك

 .

 كما ان الحجم الالصفري

   الحجمًف كرحتت تائٌزجلا نا نم ًلادب هنا ضرتفٌ تائٌزجلل

V

 

 انها سوف

  رٌغصلا مجحلا كلذ ًف رقتست

V - nb

 

 ث انٌح

nb

 

 ً الحجم الكلًابٌرقت لثمٌ

 ئاتٌزجلا هلغشت يذلا

  .

 ان االفتراضات هذه تفترض انه البد من استبدال قانون الغاز

 ًالمثال

P= nRT/V

 

 بالعالقة

:

 ذلك

 كون التنافر مؤثرٌ امدنع

  .

 ن ذات نصف قطرٌتدلص نٌتركل ةفاسم برقا نا امك

 

وحجم

 ًتكون المسافة ه

2r

 

 شغلٌُ يذلا مجحلا ناف ىذل

هو

:


background image

5

                    او

 شغله الجزيء الواحد هوٌ يذلا مجحلا وا ةٌئٌزج موجح ةٌنامث يا

 نصف ذلك

           الحجم

 هٌلعو

 فان

:

  

 

   من عددٍلك ىلع  دمتعٌ طغضلاو

 التصادمات على

  تققلها اوًتلاو اهتوقو ناردجلا

  اي نسبةًبسن لكشب لمعت ًتلاو بذجلا ىوق ًه اهتوق نم فعضُت

 زٌكرتلا

         الموالري

  النموذجًف تأٌزجلا نم

  .

 اذن بسبب كل من التردد

 (

 عدد التصادمات

 )

  منهاًاحورطم تامداصتلا ةوقو

 تبُك اذاف زٌكرتلا كلذ عبرم ىلا اٌبسن ضفخنٌس طغضلا نذا، بذاجتلا ىوق

 ساويٌ طغضلا ًف ضافخنلاا رادقم

                  المقدار

ث انٌح

  

a

  

 هو

 ًر قوى التنافر والتجاذب ستعطٌثات دٌحوتبو زاغ لكل ةزٌمم ةفص وهو بجوم تباث

       معادلة الحالة لفاندر فالز المعادلة

 (

1.21

)

 

   


background image

6

  

 رٌثاتو ةٌئٌزجلا موجحلل ًاموهفم ان ّوك دق حاضٌلاا اذه ًفف

القوى

 .

 والمعادلة

 ة لهاٌلاحلا ةقٌرطلا نكلو ىرخا قرطب اهقاقتشا نكمٌ

 لهاٌوحتو ةٌضاٌرلا ةئٌهلا قاقتشا نكمٌ فٌك نٌبت ذا ةدئاف

 ة من االفكارٌضاٌر ةلداعم ىلا

 االزمة

 .

 كما وان االشتقاق له

 فائدة ابقاء عدم دقة المعامالن

a , b 

 

 :

 عتبرانٌ ةقٌقحلا ًفو

 ئتانٌزج ناتٌصاخ امهنا نم ناٌضارتفا وا ناٌعضو نارٌغتم

 قتانٌقد

  .


background image

7

 مثال

4

.

1

 ًقدر الحجم المول

 (

CO2

 

 بدرجة

500K

 

 وضغط

100 atm

 

 بعد معالجة الحسابات بقوى

 فاندرفالز

 .

  قة الحلٌرط

Method 

  سنستخدم العالقةًلوملا مجحلا هنم بحسن رٌبعت مادختسا ضرغل

 ( .

1.21b

 

 )

 وسوف نضرب

  المعادلةًفرط

                         بالمقدار

 للحصول على

 :

 وبالقسمة بالمقدار

p  

 

 وجمع االسس

 ﻟ

V

m

  

 سنحصل

على

:

 ً انها معقدة جداّلاا ةثلاثلا ةجردلا ةلداعمل قٌقد ًضاٌر رٌبعت ىلع لوصحلا نكمٌ هنا نم مغراب

  الحلًف

 .

 الحلًف ةٌراجتلا ةٌبوساحلا جماربلا مادختساب اهلح نكمٌ نكلو

  .


background image

8

 الحل

Answer 

  حسب الجدول

  (

1.6

 

  )

  فان

a = 3.592

  

  و

b = 4.267 × 10

-2

dm

3

moℓ

-1

 فتحت

 الظروف المعطاة نجد ان

                                               :

   المعادلة بالنسبةًف نلاماعملاف

V

m

 

 كون اذنٌ

  :

 فالجذر المقبول

 ﻟ

X = 0.366

 

 ًاٌلوم ًامجح ًطعٌ اذهو

V

m

=0.366 dm

3

moℓ

-1

 

 وبالنسبة للغاز

ًكون الحجم المولٌس فورظلا هذه تحت ًلاثملا

0.410 dm

3

moℓ

-1   


background image

9

(a)

 

 ةٌدامتعا

 المعادلة

Reliability of the equation   

 ًقٌقحلا زاغلا كولس جاتنتسا عٌطتست زلاف ردناف ةلداعم نا ىدم يا ىلا ربتخنس نلااو

 .

 وقد تكون

 مٌق ىلع لوصحلا نكمٌ هناو ةٌقٌقحلا ةداملل ةلاحلا ةلداعمل طٌسبو درفم رٌجت عقوت ًف ًادج هدحو

 قها على عالقةٌبطت دعب ةقٌقد

 لايرٌف

 م المجدولة للمعامالن لدرجات حرارة مختلفةٌقلا مادختسابو

 لٌلحت  ًطت اهنا لافدناف ةلدام ةزٌم نا ًاٌددع ةمظنلاا لٌلحتو

 (

رِّبُع دقو

 

 ًاٌزمر هنع

 )

 سمح لناٌ

 من ان

  نِّوكن

 ةٌقٌقحلا تازاغلا نع ةماع ةصلاخ

 .

 نا استخدام احدٌلع ةلداعملا لشفت امدنعو

  الجدولًف تضرتفا ًتلاو ىرخلاا ةلاحلا تلاداعملا

 (

1.7  

 

 )

 دةٌدج ةلاح ةلداعم قاقتشاب كلذو

 لايرٌف ةلداعم ىلا عوجرلا وا

  .

 مِّكحن نا انٌلع لوقن نا دٌرن يا

 انطقة المعادلة

 ة المستنتجةٌّمرٌثوزٌلاا تاططخملا عم رادقمب

  الشكلًف ًاٌلمع ةجتنتسملا كلت عم اٌرظن

 (

1.15

 

  )


background image

10

 

 


background image

11

 ًة كما فٌمرٌثوزٌلاا تاططخملا نم ةعومجم هانداو

الشكل

(1.17) 

 

 والشكل

(

1.18

 . )

 وبغض النظر عن التذبذب

  اال انها اعطت، ةجرحلا ةرارحلا ةجرد لفسا قطانملا ًف

 ة  بشكل ممتازٌّمرٌثوزٌآ تاططخم

 .

 ان خطوط فاندر فالز

Vander Waals loops 

 

 ة بسبب انهاٌعقاو رٌغ ًه

  الضغطًف ةداٌز كانه ةنٌعم طورش تحت اهنا ضرتفت

  الحجم ومن ثم استبدلت برسمًف ةداٌز ىلا يدؤت هذه ثدحت

 ه فان االنشوطات او المخططاتٌلعو ةٌقفا ةمٌقتسم طوطخ

 ة فوق وتحت الخطوطٌواستم تاحاسم ددحت اهنا ةٌئٌزجلا

 لٌو سكام بٌكرتب ىعدت ةقٌرطلا هذه

( 3 ) Maxwell 

construction 

 

 ًفمعامالن فاندر فالز مثل تلك المذكورة ف

 الجدول

(1.7)

 

 قد وجدت من مطابقة المنحنات المحسوبة

 ًاٌبٌرجت اهٌلع لصحملا تانحنملاو

  .


background image

12

  

 الشكل

:1.17

  السطح المحتمل  للحاالت

المسموح بمعادلة فاندرفالز

 قارن هذا السطح مع الشكل

1.8

.


background image

13

 شكل

1.8

:


background image

14

(b) The features of the equation

  

The principal features 

of the van der Waals equation can be summarized as 

follows. 
(1) Perfect gas isotherms are obtained at high temperatures and large molar
volumes. When the temperature is high, RT may be so large that 

 

the first term in eqn 1.21b greatly exceeds the second. 

Furthermore, if the molar volume is large in the sense
V

m

» b, then the denominator V

m

- b   ≈ V

m

. Under these conditions, the 

equation reduces to p = RT/V 

m

, the perfect gas equation.

(2) Liquids and gases coexist when cohesive and dispersing effects are in 

balance. The van der Waals loops occur when both terms in eqn 1.21b 

have similar magnitudes.
The first term arises from the kinetic energy of the molecules and their 

repulsive interactions; the second represents the effect of the attractive 

interactions.

 


background image

15

(3) The critical constants are related to the van der Waals coefficients.
For T < T

c, 

the calculated isotherms oscillate, and each one passes through a 

minimum followed by a maximum. These extrema converge as T 

T

c

; and 

). 

4

flat inflexion  (

at the critical point the curve has a 

c

T

coincide at T = 
From the properties of curves, we know that an inflexion of this type occurs 
when both the first and second derivatives are zero. Hence, we can find the 
critical constants by calculating these derivatives and setting them equal 
to zero:


background image

16

 ة الحرجٌطاغضنلاا لماع

Z

c


background image

17

 الحاالتًقلات ءادبم

:

 ث انٌح

P

r

 

 هو الضغط المختزل

V

r

 

 الحجم المختزل و

T

r

 

درجة الحرارة المختزلة

.


background image

19

 للغازًقٌقحلا طغضلا داجٌا نكمٌ انناف لزتخملا طغضلا انٌطعا اذاف

 


background image

19

 ة و لنفسٌقٌقحلا تازاغلا ناب ةٌبٌرجتلا تادهاشملا تتبثا

 الحجم المختزل و درجة الحرارة المختزلة فانها سوف تسلط

 الحاالتًقلات ءادبمب ىعدت ةلاحلا هذه لزتخملا طغضلا

 .

 و

 ئاتٌزج نم ةنوكملا تازاغلا هعٌطت و ًبٌرقت وه ءادبملا اذه

 ة اوٌورك تائٌزجلا نوكتلا امدنع اناٌحا لشفت و ةٌورك

 مكن ان تكتب بصورةٌ زلافردناف ةلداعم و ةبطقتسم

ًلٌامك و ةلزتخملا تارٌغتملا

:


background image

21


background image

21

 


background image

Lecture 6

The First Law


background image

2

 نمكٌادومرثلل لولاا نوناقلا

The First Law

 

الخصائص العامة للثرموداينمك

:

For the purposes of physical chemistry, the universe is divided into two parts, 

its surroundings

and 

the system 
The system 

is the part of the world in which we have a special interest. It may 

be a reaction vessel, an engine, an electrochemical cell, a biological cell, 

and so on. 

comprise the region outside the system and are where we 

The surroundings 

make our measurements.

The type of system depends on the characteristics of the boundary that 

divides it from the surroundings (Fig. 2.1). 

If matter can be transferred through the boundary 

between the system and 

its surroundings the system is 

classified as open

If matter cannot pass through the boundary 

the system is 

classified as closed

Both open and closed systems can exchange energy with their 

surroundings. 
For example, a closed system can expand and thereby raise a weight in the 

surroundings; it may also transfer energy to them if they are at a lower 

temperature.


background image

3

is a closed system that has neither 

An isolated system 

mechanical nor thermal contact with its surroundings

.


background image

4

2.1.  Work, heat, and energy:
The fundamental physical property in   thermodynamics  is work: 

is motion against an opposing force. 

work 
An example of doing work is the expansion of a gas that pushes out a piston and 
raises a weight. A chemical reaction that drives an electric current through a 
resistance also does work, because the same current could be driven through a 
motor and used to raise a weight.

.

is its capacity to do work

The energy of a system 

 ن النظام وٌب قرفلل ةجٌتنك لغشلا رٌغ ىرخا قرطب اهرٌٌغت نكمٌ ماظنللا ةقاط نا براجتلا ترهضا

مكننا القول بان الطاقة قد انتقلت كحرارةٌف طٌحملا

.

Experiments have shown 

that the energy of a system may be changed by means 

other than work itself. When the energy of a system changes as a result of a 
temperature difference between the system and its surroundings we say that 
energy has been transferred as heat. When a heater is immersed in a beaker of 
water (the system), the capacity of the system to do work increases because hot 
water can be used to do more work than the same amount of cold water. Not all 
boundaries permit the transfer of energy even though there is a temperature 
difference between the system and its surroundings


background image

5

is a process that releases energy as heat into 

An exothermic process 
its surroundings. All combustion reactions are exothermic. 

is a process in which energy is acquired from 

An endothermic process 
its surroundings as heat.

An example of an endothermic process 

is the vaporization of water.

An endothermic process 

energy is transferred 'as heat' from

the surroundings into the system.

Heat and work

.

2

Molecular interpretation 

In molecular terms, 

heating 

is the transfer of energy that makes use of 

disorderly molecular motion.

In contrast

work is the transfer of energy that makes use of 

organized motion (Fig. 2.4). When a weight is raised or lowered, its 
atoms move in an organized way (up or down). The


background image

6


background image

7

ن الشغل و الحرارة المسلطة على النظامٌب زٌٌمتلل

The distinction between work and heat is made in the 
surroundings: 
The fact that a falling weight may stimulate 
thermal motion in the system is irrelevant to the distinction 
between heat and work: 

work is identified as energy transfer making use of the 
organized motion of atoms in the surroundings

, and 

heat is identified 

as energy transfer making use of thermal 

motion in the surroundings. 

I


background image

8

2.2 The internal energy

In thermodynamics, the total energy of a system is called its internal 

energy, U. 
The internal energy is 

the total kinetic 

and 

potential energy 

of the 

molecules in the system (see Comment 1.3 for the definitions of kinetic 

and potential energy).' 
We denote by 

ΔU 

the change in internal energy 

when a system changes 

of 

to a final state

j

U

with internal energy 

i

initial state 

from an 
internal energy U

f

:

  

ΔU =U

f

– U

i

……………………………….(2 .1)

 

in the sense that its value depends 

is a state function 

The internal energy 

only on the current state of the system and is independent of how 

that state has been prepared.
In other words, it is a function of the properties that determine the 

current state of the system. Changing

 ة للنظام والٌلاحلا ةلاحلا ىلع طقف دمتعت اهتمٌق نا ىنعمب يأ  ةلاح ةلاد ًه ةٌلخادلا ةقاطلاف

ر تلك الحالةٌضحت ةٌفٌك ىلع دمتعت

.


background image

9

Changing any one of the state variables

such as the pressure

, results in a 

change in internal energy. 
The internal energy 

is an extensive property

. That the internal energy is a 

state function has consequences of the greatest importance, as we start to 
unfold in Section 2.10

 نٌوانعلا ًف ىرنس امك ىربك ةٌمها اهل و اظٌا ةلاح ةلاد ًه و  ةلماش ةٌصاخ ًه ةٌلخادلا ةقاطلاف

الالحقة

.

heat, 

Internal energy, and work 

are all measured in the same units, the joule 

(J). The joule, which is named after the nineteenth-century scientist J.P. 
Joule, is defined as 

   

1 J = 1 kg m²  S¯²

 


background image

10

A joule is quite a small unit of energy

: for instance, 

each beat of the human 

heart consumes about 1 J.

Changes in molar internal energy, 

ΔU 

m   

are typically expressed in kilojoules 

per mole (k] mol ¯¹). Certain other energy units are also used, but are more 
common in fields other than thermodynamics. 

Thus, 1 electronvolt (1 eV) 

is defined as the kinetic energy acquired 

when an electron is accelerated from rest through a potential difference 

of 1 V; the relation between electronvolts and joules is 1 eV ≈ 0.16 

aj

(where 1 

aj

10

-18

J

). 

Many processes in chemistry have an energy of 

several electronvolts. Thus, the energy to remove an electron from a 
sodium atom is close to 5 eV. Calories (cal) and kilocalories (kcal) are still 
encountered. The current definition of the calorie in terms of joules is

1 cal = 4.184 J exactly An energy of 1 cal is enough to 
raise the temperature of 1 g of water by 1°C


background image

Lecture 7

Molecular interpretation 

2.2 . The internal energy of a gas

التفسير الجزيئي للطاقة الداخلية للغاز


background image

2

 :

The internal energy of a gas

.

2

Molecular interpretation 

A molecule has a certain 

number of degrees of freedom

, such as the ability to 

translate

(the motion of its centre of mass through space), 

rotate

around 

its centre of mass, 

or vibrate 

(as its bond lengths and angles change). 

Many physical and chemical properties depend on the energy associated 
with each of these modes of motion.

For example, a chemical bond might 

break if a lot of energy becomes concentrated in it. 

The equipartition theorem 

of classical mechanics is a useful guide to the 

average energy associated with each degree of freedom when the sample 
is at a temperature T. First, we need to know that a

to the energy means a contribution that can be 

'quadratic contribution

expressed as the square of a variable, such as the position or the velocity. 
For example, the kinetic energy an atom of mass m as it moves through 
space I

 االسهام التربيعي

 ر كالسرعة او الموقع مثال الطاقةٌّغتملا كلذ عبرمب هنعرَّبعٌ يذلا ماهسلااا ًنعٌ و

 ة لذرة ذات كتلةٌكرحلا

m

 

  الفضاءًف كرحتت و

I

 

  تلكًف ةٌعٌبرت تاماهسا ةئلاث كانه نوكتسف

الطاقة

   .


background image

3

 االسهام التربيعي للطاقة

There are three quadratic contributions to its 

energy

 مات بحالة توازن حراري بدرجة حرارةٌسجلا نم ددعل  يواستملا ماهسلاا ةٌرظن  صنتو

T

 

 كون مساوي الىٌ و هسفن نوكٌ ةقاطلل ًعٌبرت ماهسا لك ةمٌق لدعم نا ،

1kT

 

 ثٌح

 

مةٌقلا هلو نامزتلوب تباث لثمٌ

      :

   

k=1.381 x 10

-23

JK

-1   

then states that, for a collection of 

theorem 

equipartition

The 

particles at thermal equilibrium at a temperature T, the average 

value of each quadratic contribution to the energy is the same and 

equal to 1kT, where k is Boltzrnann's constant (k = 1.381 x 10¯²³  J 

K¯¹).
i

The equipartition theorem : i

s a conclusion from classical mechanics 

and is applicable only when the effects of quantization can be 

ignored (see Chapters 16 and 17). In practice, it can be used for 

.

but not vibration

molecular translation and rotation 

.
According to the equipartition theorem, the average energy of each 

term in the expression above is ½kT. Therefore, the mean energy of 

the atoms is 

3/2

kT and the


background image

4

where U

m

(0) 

is the molar internal energy at T = 0, 

when all translational motion 

has ceased and 

the sole contribution to the internal energy arises 
from the internal structure of the atoms. This 

of a 

that the internal energy 

equation shows 

perfect gas

increases linearly with temperature

At 25°C, (3/2)RT = 3.7 kl mol 

-1

so translational motion contributes about 4 kJ mol

-

1

to the molar internal energy of a gaseous 

sample of atoms or molecules (the remaining 
contribution arises from the internal structure of 
the atoms and molecules).


background image

5

When the gas consists of polyatomic 
molecules, we need to take into account 
the effect of rotation and vibration. 

A linear molecule

, such as N

2

and CO

2

, can 

rotate around two axes perpendicular to 
the line of the atoms (Fig. 2.5), so it has 
two rotational modes of motion, each 
contributing a term tkT to the internal 
energy. Therefore, the mean rotational 
energy is kT and the rotational 
contribution to the molar internal energy is 
RT. By adding the translational and 
rotational contributions, we obtain


background image

6


background image

7

It has been found experimentally 

that 

the internal energy of a system 

may 

be changed either by doing work on the system or by heating it

Whereas we may know how the energy transfer has occurred (because we 
can see if a weight has been raised or lowered in the surroundings, 
indicating transfer of energy by doing work, or 

if ice isolated from its 

surroundings, then no change in internal energy takes place. 

This summary of observations is now known as the First Law of 
thermodynamics and 
expressed as follows: 

The internal energy of an isolated system is constant

.

We cannot use a system to do work, leave it isolated for a month, and 
then come back expecting to find it restored to its original state and ready 
to do the same work again. The evidence for this property is that no 
'perpetual motion machine' (

a machine that does work without 

consuming fuel or some other source of energy) 

has ever been built.


background image

8


background image

9


background image

10

التعبير الرياضي العام للشغل


background image

11

To obtain the total work done when the volume 
changes from V

to V

f

we integrate this expression 

between the initial and final volumes:
The force acting on the piston, P

ex

A, is equivalent to a 

weight that is raised as the system expands.
If the system is compressed instead, then the same 
weight is lowered in the sur-

(

2.6

 )

00000000000


background image

12

التوسع الحر

(b) Free expansion 
By free expansion we mean expansion against zero opposing force. It occurs 
when
P

ex

=O. According to eqn 2.5, dw = 0 for each stage of the expansion. Hence, 

overall:


background image

13


background image

Lecture 8

(d) Reversible expansion


background image

2

(

d) Reversible expansion:

A reversible change in thermodynamics is a change that can be reversed by an
infinitesimal modification of a variable. 

set equal to 

'is

ex

P

external pressure, 

and that the 

Suppose a gas is confined by a piston 

Such a system is in mechanical equilibrium 

the pressure, p, of the confined gas. 

with its surroundings (as illustrated in Section 1.1) 

because

an infinitesimal change 

in the external pressure in either direction causes changes in volume in opposite 
directions. 

If the external pressure is reduced infinitesimally, then the gas expands 

slightly. If the external pressure is increased infinitesimally, then the gas contracts 
slightly. In either case

the change is reversible in the thermodynamic sense

. If, on 

the other hand, the external pressure differs measurably from the internal 
pressure, then changing p., infinitesimally will not decrease it below the pressure of 
the gas, so will not change the direction of the process. Such a system is not in 
mechanical equilibrium with its surroundings and the expansion is 
thermodynamically irreversible.

To achieve reversible expansion 

we set 

P

ex equal 

to P at each stage of the expansion.


background image

3

To achieve reversible expansion 

we set 

P

ex

equal to P 

at each stage of the 

expansion. In practice, this equalization could be achieved by gradually 

removing weights from the piston so that the downward force due to the 

weights always matched the changing upward force due to the pressure of the 

gas. When we set Pex = p, eqn 2.5 becomes

dW=-P

ex

dV=-pdV

……………………………………………(2.9

)·rev

(Equations valid only for reversible processes are labelled with a subscript rev.)

Although the pressure inside the system appears in this expression for the 

work, it does so only because P

ex

has been set equal to P to ensure reversibility. 

The total work of reversible expansion is therefore

 

 

We can evaluate the integral once we know how the pressure of the confined gas 

depends on its volume. Equation 2.10 is the link with the material covered in 

Chapter 1 for, if we know the equation of state of the gas, then we can express 

p in terms of V  and evaluate the integral.


background image

4

توضيح رياضي

:


background image

5

 

       التوسع المعزول حراريا

(e) Isothermal reversible expansion

Consider the isothermal, reversible expansion of a perfect gas. 
The expansion is made isothermal by keeping the system in 
thermal contact with its surroundings (which may be a 
constant-temperature bath). 

Because the equation of state is 

pV = nRT, we know that at each stage p = nRT/V, with V the 
volume at that stage of the expansion. 

The temperature T is 

constant in an isothermal expansion, so (together with n and 
R)
it may be taken outside the integral. 

It follows that the work of 

reversible isothermal expansion of a perfect gas from  Vi  to  
V

f

at a temperature T is

 


background image

6

We can express the result of the calculation 

as an indicator diagram, 

for the magnitude of the work done is equal to the area under the 

isotherm P = nRTlV (Fig. 2.8). Superimposed on the diagram is the 

rectangular area obtained for irreversible expansion against 

constant external pressure fixed at the same final value as that 

reached in the reversible expansion. More work is obtained when 

the expansion is reversible (the area is greater) because matching 

the external pressure to the internal pressure at each stage of the 

process ensures that none of the system's pushing power is wasted. 

We cannot obtain more work than for the reversible process 

because increasing the external pressure even infinitesimally at any 

stage results in compression. We may infer from this discussion that, 

because some pushing power is wasted when p > P

ex

' the maximum 

work available from a system operating between specified initial 

and final states and passing along a specified path is obtained when 

the change takes place reversibly.

We have introduced the connection between reversibility and 

maximum work for the special case of a perfect gas undergoing 

expansion.

Later (in Section 3.5) we shall see that it applies to all 

substances and to all kinds of work.


background image

7


background image

8

Example 2.1 Calculating the work of gas production
Calculate the work done when 50 g of iron reacts with hydrochloric acid in 
(a) a closed vessel of fixed volume, (b) an open beaker at 25°C.
Method 
We need to judge the magnitude of the volume change and then to decide how 
the process occurs. If there is no change in volume, there is no expansion work 
however the process takes place. If the system expands against a constant 
external 
pressure, the work can be calculated from 

eqn 2.8

. A general feature 

of processes in which a condensed phase changes into a gas is that the volume 
of the former may usually be neglected relative to that of the gas it forms.
Answer

In (a) the volume cannot change, so no expansion work is done and 

w = O. 

In (b) the gas drives back the atmosphere and therefore 

W= - P

ex

ΔV. 

We can

neglect the initial volume because the final volume (after the production of gas) is 
so much larger and Δ V = V

f

- V

i

≈ V

f

= nRT/P

ex

, where n is the amount of H, pro-

duced. 
Therefore,


background image

9

Because the reaction is :
Fe(s) + 2 HCl(aq)  FeCl

2

(aq) +H2(g), 

we know that 1mol H

2

is generated when 1 mol F

e

is consumed, and n can be 

taken as the amount of Fe atoms that react. Because the molar mass of Fe 

:

is 55.85 g mol ¯¹, it follows that

The system (the reaction mixture) does 2.2 kJ of work driving back the 
atmosphere. 

Note that 

(for this perfect gas system) the magnitude of the external pressure 

does not affect the final result: the lower the pressure, the larger the 
volume occupied by the gas, so the effects cancel.


background image

10


background image

11


background image

Lecture 9

Heat Transactions

تحوالت الحرارة


background image

2

transactions

Heat 

.

2

In general, the change in internal energy of a system is: 

dU = dq + dw

exp

+ dw

e

……………………………………….(2.12)

where 

dw

e

is work in addition 

(e for 'extra') 

to the expansion work, 

dw

exp

'

For 

instance

, dw

, might be the electrical work of driving a current through a 

circuit. A system kept at constant volume can do no expansion work, so 
dw

exp

= 0. If the system is also incapable of doing any other kind of work (if 

it is not, for  instance,  electrochemical cell connected to an electric 
motor), then dW

e

=0 too. Under these circumstances:

 

dU = dq

(at constant volume, no additional work

--------- (2.13a)    

We express this relation by writing 

dU = dq

v

where the subscript implies a change at constant volume. For a 

measurable change:

ΔU=  qᵥ    

…………………………………………………………..(2.13b)

It follows that, by measuring the energy supplied to a constant-volume system as 

 

) when it undergoes a change of 

0

as heat (q < 

) or obtained from it 

0

q> 

(

heat 

we are in fact measuring the change in its internal energy.

state, 


background image

3

(a) 

Calorimetry

Calorimetry

is the study of heat transfer during physical and chemical 

processes. 

A calorimeter 

is a device for measuring energy transferred as heat. 

The most common device for measuring ΔU is an adiabatic bomb 
calorimeter (Fig. 2.9). 
The process we wish to study-which may be a chemical reaction-is 
initiated inside a constant volume container, the 'bomb'. The bomb 
is immersed in a stirred water bath, and the whole device is the 
calorimeter. The calorimeter is also immersed in an outer water 
bath. The water in the calorimeter and of the outer bath are both 
monitored and adjusted to the same temperature. This 
arrangement ensures that there is no net loss of heat from the 
calorimeter to the surroundings (the bath) and hence that the 
calorimeter is adiabatic.


background image

4

q = CΔT   ……………………       (2.14a) 

The calorimeter constant  C 

may be measured electrically 

by passing a constant current, I, from a source of 
known potential difference, Ѵ, through a heater for a 
known period of time, t, for then

q =IѴt     …………………………….       (2.14b) 

 

Alternatively, 

C may be determined by burning a known 

mass of substance

(benzoic acid is often used) that 

has a known heat output. With C known, it is simple to 
interpret an observed temperature rise as a release of 
heat.


background image

5

 

.

2

Illustration 

  معايرة  المسعر

The calibration of a calorimeter

 

 


background image

6

b) Heat capacity

(

The internal energy of a substance increases when its temperature is raised. 

The increase depends 

on the conditions under which the heating takes 

place and for the present we suppose that the sample is confined to a 

For example, the sample may be a gas in a container of 

constant volume

fixed volume. If the internal energy is plotted against temperature, then a 

to the 

The slope of the tangent 

may be obtained. 

10 

.

2

curve like that in Fig. 

called the heat capacity of the system at that 

curve at any temperature is 

is 

and 

v

C

The heat capacity at constant volume is denoted 

temperature.
defined formally as 

In this case, the internal energy varies with the temperature and the 
volume of the sample, but we are interested only in its variation with 
the temperature, the volume being held constant (Fig. 2.1l).


background image

7


background image

8

عع

 ر الحجم و درجةٌغتب ماظنلل ةٌلخادلا ةقاطلا رٌغتت

ًانٌبلا حطسلا ًف حضوم امك و ةرارحلا

 .

 و قد

 ة و لحجم ثابتٌلخادلا ةقاطلا ًف رٌغتلا انحضو

  المرسوم بشكل موازيًنحنملا طخلاب هل رٌشٌأ دق

لمحور الحرارة

T

 .

 ل لهذا المنحنى عند أيٌملا و

 ة للطاقةٌئزجلا ةقتشملا لثمٌس هٌلع ةطقن

ةٌلخادلا

:

(∂U/ ∂T) 


background image

9

 


background image

10

 


background image

12

Heat capacities are extensive properties
السعات الحرارية تعتبر خصائص شاملة

 

: 100 g of water, for instance, has 100 times the heat capacity of 1 g of water (and 
therefore requires 100 times the energy as heat to bring about the same rise 
in temperature). 

The molar heat capacity at constant volume, 

C

V

,

m

C

v

/

n

, is the heat capacity per 

خاصية مركزة

mole of material, and is an intensive property 

(

all molar quantities are intensive

). Typical values of 

C

V,

m

for polyatomic gases 

are close to 25 J k

-1  

mol

-1 

. For certain applications it is useful to know the 

specific heat capacity (more informally, the 'specific heat') of a substance, 
which is the heat capacity of the sample divided by the mass, usually in 
grams: 
C

v,s

= C

v

/ m. 

The specific heat capacity of water at room temperature is close to 4 J K

-1 

g

-1 

In general, heat capacities depend on the temperature and decrease at low 
temperatures. However, over small ranges of temperature at and above room 
temperature, the variation is quite small and 

for approximate calculations 

heat capacities can be treated as almost independent of temperature.

 


background image

13

 

**

The heat capacity is used 

to relate a change in internal energy to a change 

that:

15 

.

2

eqn

It follows from 

volume system. 

-

in temperature of a constant

That is, at constant volume, an infinitesimal change in temperature brings about 
an infinitesimal change in internal energy, 

and the constant of proportionality 

is Cv. 

If the heat capacity is independent of temperature over the range of 

temperatures of interest, a measurable change of temperature, ΔT, brings 
about a measurable increase in internal energy, 
ΔU, where


background image

13

 

خ


background image

Lecture 10

Enthalpy


background image

2

2.5 Enthalpy
The change in internal energy is not 

equal to the energy transferred as 

heat when the system is free to 

change its volume. Under these 

circumstances some of the energy 

supplied as heat to the system is 

returned to the surroundings as 

expansion work (Fig. 2.12), 
so:

dU is less than dq. 

However, we shall now show that in this 

case the energy supplied as heat at 

constant pressure is equal to the 

change in another thermodynamic 

property of the system, the enthalpy.


background image

3

(a) The definition of enthalpy
The enthalpy, 

H

, is defined as:

H =U + pV …………………………………. [2.18]

where 

is the pressure of the system and 

V

is its 

volume. 

Because U, p, and V are all state 

functions

the enthalpy is a state function 

too

As is true of any state function, the change in 
enthalpy, ΔH, between any pair of initial and 
final states is independent of the path 
between them.


background image

4

Although the definition of enthalpy may appear arbitrary, it has 
important implications for thermochemisty. 
For instance, we show in the following Justification that eqn
2.18 implies that 

the change in enthalpy is:

equal to the energy supplied as heat at constant pressure 

(provided the system does no additional work):

dH = dq (

at constant pressure, no additional work

)   --------------------- (2.19a)

    

For a measurable change


background image

5


background image

6

ضاحٌلاا تمتت


background image

7

The result expressed in eqn 2.19 states 

that, 

when a system is subjected to a constant 
pressure, and only expansion work can occur, 
the change in enthalpy is 

equal to the energy 

supplied as heat. 

kJ of energy 

36 

if we supply 

For example, 
through an electric heater immersed in an 
open beaker of water, then the enthalpy of 
the water increases by 36 kJ and we write 

ΔH = +36 kJ.


background image

8

 

(b) The measurement of an enthalpy change

An enthalpy change can be measured calorimetrically by monitoring the 
temperature change that accompanies a physical or chemical change 
occurring at constant pressure. A calorimeter for studying processes at 
constant pressure is called an isobaric calorimeter. A simple example is a 
thermally insulated vessel open to the atmosphere:

the heat released in the reaction is monitored by measuring the change in 
temperature of the contents.

For a combustion reaction an adiabatic flame calorimeter may be used to 
measure ΔT when a given amount of substance burns in a supply of oxygen 
(Fig. 2.13). 
Another route to ΔH is to measure the internal energy change by using a bomb 
calorimeter, and then to convert ΔU to ΔH.

is so small 

m

pV

for them 

small molar volumes, 

Because solids and liquids have 

almost identical 

are 

internal energy 

the molar enthalpy and molar 

that 

 للمواد الصلبة و السوائل

(H

m

U

m

+ pV

m

≈ U

m

)   


background image

9

if a process involves only solids 

Consequently, 

U are 

Δ

H and 

Δ

the values of 

or liquids,

almost identical.

accompanied by 

such processes are 

Physically,

system 

the 

a very small change in volume,

does negligible work on the surroundings 
when the process occurs, 

so the energy 

supplied 

as heat stays entirely within the 

system. 

The most sophisticated way to measure 
enthalpy changes,

however, 

is to use a 

differential scanning calorimeter (DSC). 

Changes in enthalpy and internal energy 
may also be measured by noncalorimetric
methods (see Chapter 7)0op


background image

10

ةٌلخادلا ةقاطلا و ةٌبلاثنلاا نٌب ةقلاعلا لاثم

قة الحلٌرط


background image

11

الحل


background image

12

 ة حسب العالقةٌلخادلا ةقاطلاب ًلاثملا زاغلل ةٌبلاثنلاا طبترت

ةٌلاتلا

:

  

 ة للتفاعل الذيٌبلاثنلاا ًف رٌغتلا باسح ىلع قبطت هلاعا ةٌضاٌرلا ةقلاعلأ

ستهلك غازٌ وا زاغ ررحٌ

.


background image

13

حٌضوت


background image

14

مثال


background image

15

الحل




رفعت المحاضرة من قبل: Cruz Maldanado
المشاهدات: لقد قام 7 أعضاء و 208 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل