Energi, Enthalpi, og den Første Lov ofThermodynamics
Kemisk Termodynamik
Termodynamik er defineret som den gren af videnskaben, der beskæftiger sig med forholdet mellem varme og andre former for energi, såsom arbejde. Det er oftesummariseret som tre love, der beskriver begrænsninger for, hvordan forskellige former for energi kan interkonverteres. Kemisk termodynamik er den del af termodynamikken somindeholder kemiske reaktioner.,
Love om Termodynamik
Første lov: Energi er bevaret; det kan hverken skabes eller ødelægges.
anden lov: i et isoleret system er naturlige processer spontane, når de fører til en stigning i lidelse eller entropi.
tredje lov: entropien af en perfekt krystal er nul, når krystalets temperatur er lig med absolut nul (0 K).,
Der har været mange forsøg på at bygge en enhed, der overtræder lovene ofthermodynamics. Alle har fejlet. Termodynamik er et af de få områder af videnskab isom der ikke er nogen undtagelser.
systemet og omgivelserne
en af de grundlæggende antagelser om termodynamik er ideen om, at vi kanarbitrært opdele universet i et system og dets omgivelser., Grænsen mellem systemet og dets omgivelser kan være lige så reel som væggene i et bægerder adskiller en løsning fra resten af universet (som i figuren nedenfor).
, Eller det kan være som imaginære som det sæt af punkter, der deler luften justabove overfladen af et metal fra resten af atmosfæren (som i figuren nedenfor).,
det Indre Energi
En af de termodynamiske egenskaber af et system, er dens indre energi,E, som er summen af den kinetiske og potentielle energi af partiklerne thatform systemet. Den interne energi i et system kan forstås ved at undersøgeimplest muligt system: en ideel gas. Fordi partiklerne i en ideel gas ikke gør detinteragere, dette system har ingen potentiel energi. Den indre energi af en ideel gas erderfor summen af partiklernes kinetiske energier i gassen.,
den kinetiske molekylære teori antager, at temperaturen af en gas erdirekte proportional med den gennemsnitlige kinetiske energi af dens partikler, som vist ifiguren nedenfor.
Den indre energi af en ideal gas er derfor i direkte forhold til temperaturen af gassen.,
Esys = 3/2 RT
i denne ligning er R den ideelle gaskonstant i joule pr.molekylvin (J / mol-K), og T er temperaturen i kelvin.
den interne energi i systemer, der er mere komplekse end en ideel gaskan ikke måles direkte. Men systemets indre energi er stadig proportional meddens temperatur. Vi kan derfor overvåge ændringer i et systems indre energi ved at se, hvad der sker med systemets temperatur. Når temperaturen i systemet stiger, kan vi konkludere, at systemets indre energi også er steget.,
Antag for øjeblikket, at et termometer nedsænket i et bægervandpå en varm plade læser 73,5 oC, som vist i figuren nedenfor. Denne måling kanbeskriv kun systemets tilstand på det tidspunkt. Det kan ikke fortælle os, om vandet blev opvarmet direkte fra stuetemperatur til 73,5 oC eller opvarmet fra rumtemperatur til 100oC og derefter lov til at afkøle.
temperatur er derfor en tilstandsfunktion. Det afhænger kun af systemets tilstand på ethvert tidspunkt, ikke den vej, der bruges til at få systemet til den tilstand., Fordi systemets indre energi er proportional med dens temperatur,er intern energi også en statsfunktion. Enhver ændring i systemets indre energier lig med forskellen mellem dens indledende og endelige værdier.
Esys= Ef – Ei
Den Første Lov Om Termodynamik
Den første lov om termodynamik kan blive fanget i følgende ligning,der siger, at energi i universet er konstant., Energi kan overføres fra systemet til dets omgivelser, eller omvendt, men det kan ikke skabes eller ødelægges.,
First Law of Thermodynamics:
A more useful form of the first law describes how energy is conserved., Itsays at ændringen i den indre energi af et system er lig med summen af heatgained eller tabt af systemet og det arbejde, der udføres af eller på systemet.,
Første Lov om Termodynamik:
Tegnet konvention om forholdet mellem den indre energi af asystem og varmen vundet eller tabt af systemet kan forstås ved at tænke på, aconcrete eksempel, som et bægerglas med vand på en varm plade., Når varmepladen drejespå, får systemet varme fra omgivelserne. Som følge heraf er både temperaturen ogindre energi i systemet stiger, og E er positiv. Når varmepladen er slukket, denvand mister varme til omgivelserne, da det afkøles til stuetemperatur, og E er negativ.
forholdet mellem intern energi og arbejde kan forstås afoverveje et andet konkret eksempel: tunolframfilamentet inde i en pære., Når der arbejdes på dette system ved at køre en elektrisk strøm gennem tunolframtråden, bliver systemet varmere og E er derfor positivt. (I sidste ende bliver ledningen varm nokat gløde.) Omvendt Eis negativ, når systemet fungerer på sine omgivelser.
tegnkonventionerne for varme, arbejde og intern energi er opsummeret i nedenstående figur. Den interne energi og temperatur i et system falder (e < 0), når systemetenten mister varme eller arbejder på sine omgivelser., Omvendt, den indre energi andtemperature stigning (E> 0), når systemet får varmen fra sine omgivelser, eller når omgivelserne gør workon systemet.,
System og Arbejde
system er normalt defineret som den kemiske reaktion, og grænsen isthe container, hvor reaktionen er kørt. I løbet af reaktionen er der heller varmeafgivet eller absorberet af systemet., Desuden arbejder systemet enten på sine omgivelser eller har arbejdet på det af sine omgivelser. En af disse interaktioner kanpåvirker systemets indre energi.
Esys= + +
to slags arbejde er normalt forbundet med en kemisk reaktion: elektriskarbejde og ekspansionsarbejde. Kemiske reaktioner kan arbejde på deresomgivelser ved at køre en elektrisk strøm gennem en ekstern ledning., Reaktionerne virker også på omgivelserne, når systemets volumen udvides i løbet af reaktionen mængden af ekspansionsarbejde udført af reaktionen er lig med produktet af det tryk, som systemet udvider gange ændringen i systemets volumen.
= = – p V
tegnkonventionen for denne ligning afspejler det faktum, at systemets interneenergi falder, når systemet virker på sine omgivelser.,
Enthalpi Versus Indre Energi
Hvad ville der ske, hvis vi skabt et sæt af betingelser, som ikke arbejder isdone af systemet på sine omgivelser, eller omvendt, under en kemisk reaktion? Under disse betingelser vil den varme, der afgives eller absorberes af reaktionen, være lig med ændringen i systemets indre energi.
Esys=. (hvis og kun hvis 0 = 0)
den nemmeste måde at opnå disse betingelser på er at køre reaktionen vedkonstant volumen, hvor intet ekspansionsarbejde er muligt., Ved konstant volumen er opvarmningenafgivet eller absorberet af reaktionen lig med forandringen i den indre energi, somforekommer under reaktionen.
Esys= .v (ved konstant volumen)
figuren nedenfor viser et kalorimeter, hvor reaktioner kan køres vedkonstant volumen. De fleste reaktioner køres imidlertid i åbne kolber og bægre. Når dette er gjort, er systemets volumen ikke konstant, fordi gas enten kan komme ind eller forlade beholderen under reaktionen., Systemet er dog ved konstant tryk, forditotalt tryk inde i beholderen er altid lig med atmosfærisk tryk.
Hvis en gas drives ud af kolben under reaktionen, gør systemetarbejde på dets omgivelser. Hvis reaktionen trækker en gas ind i kolben, omgivelsernearbejde på systemet. Vi kan stadig måle den mængde varme, der afgives eller absorberes under reaktionen, men det er ikke længere lig med ændringen i systemets indre energi, fordi noget af varmen er omdannet til arbejde.,
Esys= + +
Vi kan omgå dette problem ved at introducere begrebet enthalpi(h), som er summen af systemets indre energi plus produktet aftryk af gassen i systemet gange systemets volumen.
Hsys = Esys + PV
af hensyn til enkelheden vil underskriften “sys” blive udeladt afsymbolet for både systemets indre energi og systemets entalpier franu videre. Vi vil derfor forkorte forholdet mellem systemets entalpiog systemets indre energi som følger.,
h = E + PV
ændringen i systemets entalpi under en kemisk reaktion erlig med ændringen i dens indre energi plus ændringen i trykproduktetgange systemets volumen.
h= e + (PV)
lad os antage, at reaktionen køres i en styrofoam kop, som vist ifiguren nedenfor.,
Fordi reaktionen kører ved konstant tryk, ændringen i theenthalpy, der opstår under reaktionen er lig ændringen i den indre energi af systemet plus produktet af et konstant pres gange ændringen i mængden af thesystem.
H= E + PV (ved konstant tryk)
at Erstatte den første lov om termodynamik i denne ligning giver denfølgende resultat.,
H= (pp + w) + p V
under forudsætning af, at det eneste arbejde, der udføres af reaktionen, er ekspansionsarbejde, giver en ligning, hvor P V vilkår annullere.
H= (qp – PV) + PV
Således, at den varme, som afgives eller absorberet i løbet af en kemisk reaktion atconstant pres er lig med ændringen i enthalpi af systemet.,
H= qp (ved konstant tryk)
forholdet mellem ændringen i den indre energi af systemduring en kemisk reaktion, og enthalpi af reaktionen kan sammenfattes som følger.
1. Varmen afgives eller absorberes, når en reaktion køres ved konstantvolumen er lig med ændringen i systemets indre energi.
Esys= qv
2. Den varme, der afgives eller absorberes, når en reaktion køres ved konstanttryk, er lig med ændringen i systemets entalpi.,
Hsys= qp
3. Ændringen i entalpien af systemet under en kemisk reaktion erlig med ændringen i den indre energi plus ændringen i produktet af tryketaf gassen i systemet og dets volumen.
4., Forskellen mellem E og H for systemet er lilletil reaktioner, der kun involverer væsker og faste stoffer, fordi der er lidt om nogen ændring i systemets volumen under reaktionen. Forskellen kan dog være relativt stor for reaktioner,der involverer gasser, hvis der er en ændring i antallet af mol afgas i løbet af reaktionen.
Øvelsesproblem 1:
hvilke af følgende processer køres ved konstant volumen, og som køres ved konstant tryk?,
(a) en syre-base titrering
(b) nedbrydning af CaCo3 af varme kalksten i en digel med en bunsenbrænder
(c) reaktion bewteen zink metallet og en vandig opløsning af Cu2+ – ioner til at danne kobber, metal og Zn2+ – ioner
(d) måling af kalorier i en 1-ounce. servering af morgenmadsprodukter ved at brænde kornet i et bombekalorimeter
Klik her for at kontrollere dit svar for at øve Problem 1.