Energie, Entalpie, a První Zákon ofThermodynamics
Chemické Termodynamiky
Termodynamice je definována jako odvětví vědy, která se zabývá s vztah mezi tepla a jiných forem energie, jako je práce. Často se jedná o tři zákony, které popisují, jak různé formy energie mohou být vzájemně propojeny. Chemická termodynamika je část termodynamiky, kteráse týká chemických reakcí.,
Zákony Termodynamiky
První zákon: Energie je zachována; to nemůže být ani vytvořena, ani zničena.
druhý zákon: v izolovaném systému jsou přirozené procesy spontánní, když vedou ke zvýšení poruchy nebo entropie.
třetí zákon: entropie dokonalého krystalu je nulová, když se teplota krystalu rovná absolutní nule (0 K).,
Tam bylo mnoho pokusů o vytvoření zařízení, které porušuje zákony ofthermodynamics. Všichni selhali. Termodynamika je jednou z mála oblastí vědykteré neexistují žádné výjimky.
Systém a Okolí
Jedním ze základních předpokladů termodynamiky je myšlenka, že jsme canarbitrarily rozdělit vesmír na systém a jeho okolí., Základ mezi systémem a jeho okolím může být stejně reálný jako stěny zobáku, který odděluje řešení od zbytku vesmíru (jako na obrázku níže).
Nebo to může být stejně imaginární jako množinu bodů, které rozdělují vzduchu kousek nad povrchem kovu od zbytku atmosféry (jako na obrázku níže).,
Vnitřní Energie
Jedním z termodynamických vlastností systému je jeho vnitřní energie,E, což je součet kinetické a potenciální energie částic thatform systému. Vnitřní energie systému lze pochopit zkoumáním tohotonejjednodušší možný systém: ideální plyn. Protože částice v ideálním plynu nemajíinterakt, tento systém nemá potenciální energii. Vnitřní energie ideálního plynu jeproto součet kinetických energií částic v plynu.,
kinetická molekulární teorie předpokládá, že teplota plynu jepřímo úměrná průměrné kinetické energii jeho částic, jak je ukázánopostava níže.
vnitřní energie ideálního plynu je tedy přímo úměrný teplotě plynu.,
Esys = 3/2 RT
V této rovnici, R je molární plynová konstanta v joulech na molekelvin (J/mol-K) a T je teplota v kelvinech.
vnitřní energie systémů, které jsou složitější než ideální plynnemůže být měřena přímo. Ale vnitřní energie systému je stále úměrnájeho teplota. Můžeme tedy sledovat změny vnitřní energie systému sledováním toho, co se stane s teplotou systému. Kdykoli se teplota systému zvyšuje, můžeme usoudit, že se zvýšila i vnitřní energie systému.,
Předpokládejme, že teploměr ponořený do kádinky vodyna horké desce čte 73,5 oC, jak je znázorněno na obrázku níže. Toto měření můžepouze popsat stav systému v tomto okamžiku v čase. To nám nemůže říct, zda vody se zahřívá přímo od pokojové teploty až 73,5 oC nebo vyhřívaný od common rail do 100oC a pak se nechá vychladnout.
teplota je tedy stavová funkce. Záleží jen na státu systému v každém okamžiku v čase, ne cestu používají, aby se systém thatstate., Protože vnitřní energie systému je úměrná jeho teplotě, vnitřní energie je také státní funkcí. Jakákoli změna vnitřní energie systémuse rovná rozdílu mezi jeho počátečními a konečnými hodnotami.
Esys= Ef – Ei
První Termodynamický Zákon,
první zákon termodynamiky může být zachycen v následující rovnici,která říká, že energie vesmíru je konstantní., Energie může být přenesena zsystém do jeho okolí, nebo naopak, ale nemůže být vytvořen nebo zničen.,
First Law of Thermodynamics:
A more useful form of the first law describes how energy is conserved., Podle něj se změna vnitřní energie systému rovná součtu tepla nebo ztráty systému a práce, kterou provádí systém nebo systém.,
První Zákon Termodynamiky:
Znamení úmluvy o vztah mezi vnitřní energií a vytvořilo systém tepelné získal nebo ztratil v systému lze chápat myšlení o konkrétním příkladu, jako jsou kádinky s vodou na vařič., Když je varná deska otočena, systém získává teplo ze svého okolí. Výsledkem je jak teplota, tak teplota, vnitřní energie systému se zvyšuje aE je pozitivní. Když je horká deska vypnutá, voda ztrácí teplo do svého okolí, protože se ochladí na pokojovou teplotu a E je negativní.
vztah mezi vnitřní energií a prací lze pochopitzvážením dalšího konkrétního příkladu: wolframového vlákna uvnitř žárovky., Když se práce provádí na tento systém řízení elektrického proudu přes wolframu drát, tento systém se stává teplejší a E je proto pozitivní. (Nakonec se drát stává dostatečně horkýmzářit.) Naopak Eis negativní, když systém pracuje na svém okolí.
konvence znamení pro teplo, práci a vnitřní energii jsou shrnuty níže. Vnitřní energie a teplota systému klesají (e < 0), když systém ztrácí teplo nebo pracuje na svém okolí., Naopak, vnitřní energie a zvýšení (E> 0), když systém získává teplo ze svého okolí, nebo když okolí dělat, zapracovat na systému.,
Systém a Práce
systém je obvykle definována jako chemická reakce a hranice je kontejner, ve kterém reakce je spustit. V průběhu reakce je teplo buďodstraňte nebo absorbujte systém., Kromě toho systém buď pracuje na svých pozemcích, nebo na něm pracuje svým okolím. Jedna z těchto interakcí můžeovlivnit vnitřní energii systému.
Esys= q + w,
Dva druhy práce jsou obvykle spojeny s chemickou reakcí: electricalwork a práce expanzi. Chemické reakce mohou pracovat na jejichobklopení poháněním elektrického proudu externím drátem., Reakce také dowork na jejich okolí, je-li objem systému rozšiřuje v průběhu thereaction množství práce, expanze provedené reakce se rovná součinu z tlaku, proti kterému se systém rozšiřuje krát změna objemu systému.
w = – PV
podepsat úmluvu o tato rovnice odráží skutečnost, že internalenergy systému se snižuje, když systém funguje na své okolí.,
Entalpie Versus Vnitřní Energie
Co by se stalo, kdyby jsme vytvořili soubor podmínek, podle nichž žádná práce hotová, systém na jeho okolí, nebo naopak, v průběhu chemické reakce? Za těchto podmínek by teplo odváděné nebo absorbované reakcí bylo rovnorozsah ve vnitřní energii systému.
Esys= q (tehdy a jen tehdy, když w = 0),
nejjednodušší způsob, jak dosáhnout těchto podmínek je ke spuštění reakce atconstant objem, kde není práce na rozšíření je možné., Při konstantním objemu se tepelný výkonodstraní nebo absorbuje reakcí se rovná změně vnitřní energie, kterádochází během reakce.
Esys= qv (při konstantním objemu)
níže uvedený obrázek ukazuje kalorimetr, ve kterém lze reakce spouštětkonstantní objem. Většina reakcí však probíhá v otevřených baňkách a kádinkách. Když je to tak, objem systému není konstantní, protože plyn může během reakce buď vstoupit, nebo odejítkontejner., Systém je však při konstantním tlaku, protožecelkový tlak uvnitř nádoby se vždy rovná atmosférickému tlaku.
Pokud je během reakce z baňky vytlačen plyn, systém nepracuje na svém okolí. V případě, že reakce vytáhne plyn do baňky, okolí dowork na systému. Stále můžeme měřit množství tepla z nebo absorbovaného během reakce, ale to je již rovná změně vnitřní energie systému, protože část tepla byl převeden do práce.,
Esys= q + w,
můžeme obejít tento problém tím, že zavádí pojem entalpie(H), která je součtem vnitřní energie systému plus produkt působil tlak plynu v systému násobku objemu systému.
Hsys = Esys + PV
Pro jednoduchost, index „sys“ bude ponecháno mimo symbol pro obě vnitřní energie systému a entalpie systému od. Proto zkrátíme vztah mezi entalpií systémua vnitřní energií systému následujícím způsobem.,
H = E + PV
změna entalpie systému během chemické reakce se rovná změně v její vnitřní energii a změna v produktu pressuretimes hlasitost systému.
, H= E + (PV)
předpokládejme, že reakce je spustit v plastovém kelímku, jak je uvedeno v thefigure níže.,
Protože reakce je běh na konstantní tlak, změny v theenthalpy, že dochází v průběhu reakce je rovna změně vnitřní energie z systému plus součin konstantní tlak krát změna v objemu systému.
, H= E + PV (při konstantním tlaku)
Nahradit první zákon termodynamiky do této rovnice dává následující výsledek.,
H= (qp + w) + PV
za Předpokladu, že pouze práce, kterou reakce je práce expansiongives rovnici, ve které je PV podmínkách zrušit.
H= (qp – PV), + PV
to Znamená, že teplo vydávané nebo absorbovaného během chemické reakce atconstant tlaku je rovno změně entalpie systému.,
H= qp (při konstantním tlaku)
vztah mezi změnou vnitřní energie systemduring chemické reakce a entalpie reakce lze shrnout následovně.
1. Teplo odváděné nebo absorbované, když je reakce spuštěna konstantněobjem se rovná změně vnitřní energie systému.
Esys= qv
2. Teplo odváděné nebo absorbované, když je reakce spuštěna při konstantětlak se rovná změně entalpie systému.,
Hsys= qp
3. Změna entalpie systému během chemické reakce se rovná změně vnitřní energie plus změnu v produktu pressureof plynu v systému a jeho objem.
4., Rozdíl mezi E a H pro systém je malá reakce, které zahrnují pouze kapaliny a pevné látky, protože tam je málo, pokud nějaká změna objemu systému v průběhu reakce. Rozdíl může být relativně velký, avšak u reakcí, které zahrnují plyny, pokud dojde ke změně počtu molůplyn v průběhu reakce.
Praxe Problém 1:
Který z těchto procesů probíhají za konstantního objemu a které pracují při konstantním tlaku?,
(a) acidobazické titrace
(b) rozkladem CaCo3 zahříváním vápence v kelímku s hořákem,
(c) reakce bewteen zinku a vodného roztoku Cu2+ iontů tvoří kovové mědi a Zn2+ ionty
(d) měření kalorií v 1-oz. servírování snídaňových cereálií vypálením cereálií v bombovém kalorimetru
Klikněte zde pro kontrolu odpovědi na problém praxe 1.