Energia, Entalpia, ja Ensimmäinen Laki ofThermodynamics
Kemiallinen Termodynamiikka
Termodynamiikka on määritelty tieteenala, joka käsittelee kanssa suhdetta lämmön ja muiden energiamuotojen, kuten työ. Se on frequentlysummarized kuin kolme lakia, jotka kuvaavat rajoituksia, miten eri energiamuodot voidaan interconverted. Kemiallinen termodynamiikka on termodynamiikan osa, joka liittyy kemiallisiin reaktioihin.,
Termodynamiikan Lakeja
Ensimmäinen laki: Energiaa ei säilytetty; se ei voi luoda eikä tuhota.
toinen laki: eristetyssä järjestelmässä luonnolliset prosessit ovat spontaaneja, kun ne johtavat epäjärjestyksen eli entropian lisääntymiseen.
kolmas laki: täydellisen Kiteen entropia on nolla, kun Kiteen lämpötila on yhtä suuri kuin absoluuttinen nolla (0 K).,
on ollut monia yrityksiä rakentaa laite, joka rikkoo lakeja ofthermodynamics. Kaikki ovat epäonnistuneet. Termodynamiikka on yksi harvoista tieteenaloista, jossa ei ole poikkeuksia.
Järjestelmä ja Ympäristö
Yksi keskeisistä oletuksista termodynamiikka on ajatus, että me canarbitrarily jakaa maailmankaikkeuden järjestelmässä ja sen ympäristössä., Theboundary välillä järjestelmän ja sen ympäristössä voi olla yhtä todellinen kuin seinät beakerthat erottaa ratkaisun muusta maailmankaikkeus (kuten kuvassa alla).
Tai se voi olla yhtä kuvitteellinen kuin joukko pisteitä, jotka jakavat ilmaa justabove metallin pinnan muusta ilmapiiri (kuten kuvassa alla).,
Energian
Yksi termodynaaminen ominaisuuksia järjestelmässä on sen sisäinen energia,E, joka on summa kineettisen ja potentiaali-energiaa hiukkasia thatform järjestelmä. Järjestelmän sisäinen energia voidaan ymmärtää tarkastelemalla parasta mahdollista järjestelmää: ideaalikaasua. Koska ideaalikaasun hiukkaset eivät välity, tällä järjestelmällä ei ole potentiaalienergiaa. Ideaalikaasun sisäinen energia on siis kaasussa olevien hiukkasten kineettisten energioiden summa.,
kineettinen molekyyliteoria olettaa, että kaasun lämpötila on suoraan verrannollinen sen hiukkasten keskimääräiseen liike-energiaan, kuten jäljempänä esitetään.
sisäinen energia ihanteellinen kaasu on siis suoraan verrannollinen tothe lämpötila kaasun.,
Esys = 3/2 RT
tässä yhtälössä R on ihanteellinen kaasuvakio jouleina per molekelvin (J/mol-K) ja T on lämpötila kelvin-asteina.
ideaalia gascania monimutkaisempien järjestelmien sisäistä energiaa ei mitata suoraan. Mutta järjestelmän sisäinen energia on edelleen verrannollinen lämpötilaan. Voimme siis seurata järjestelmän sisäisen energian muutoksia seuraamalla, mitä järjestelmän lämpötilalle tapahtuu. Aina kun järjestelmän lämpötila nousee, voimme päätellä, että myös järjestelmän sisäinen energia on lisääntynyt.,
oletetaan tällä hetkellä, että kuumalevyn dekantterilasiin upotettu lämpömittari lukee 73,5 oC, kuten alla olevassa kuvassa näkyy. Tämä mittaus voi kuvata järjestelmän tilaa vain sillä hetkellä. Se voi kertoa meille, onko veden äärellä oli lämmitetty suoraan huoneen lämpötila 73,5 oC tai lämmitetty huonelämpötila, jotta 100oC ja sitten annettiin jäähtyä.
Lämpötila on siksi valtion toiminto. Se riippuu vain sakon järjestelmän milloin tahansa, ei polku käytetään saada järjestelmä thatstate., Koska sisäinen energia järjestelmä on verrannollinen sen lämpötilaan,sisäinen energia on myös valtion tehtävä. Muutoksia sisäisen energian systemis yhtä suuri ero alkuperäisen ja lopullisen arvoja.
Esys= Ef – Ei.
Ensimmäinen Laki Termodynamiikan
ensimmäinen laki termodynamiikan voidaan tallentaa seuraavaa yhtälöä,jossa todetaan, että energian määrä maailmankaikkeudessa on vakio., Energiaa voidaan siirtää järjestelmästä ympäristöönsä tai päinvastoin, mutta sitä ei voi luoda tai tuhota.,
First Law of Thermodynamics:
A more useful form of the first law describes how energy is conserved., Sen mukaan systeemin sisäisen energian muutos on yhtä suuri kuin systeemin heatgainedin tai kadottaman summan summa ja järjestelmän tekemä tai sille tehty työ.,
Ensimmäinen Laki Termodynamiikan:
Merkki yleissopimuksen suhdetta sisäinen energia asystem ja lämpöä saanut tai menettänyt järjestelmä voidaan ymmärtää ajattelemalla aconcrete esimerkiksi, kuten dekantterilasiin vettä kuuma levy., Kun kuuma levy on turnedon, järjestelmä saa lämpöä ympäristöstään. Seurauksena, sekä lämpötila ja sisäisen järjestelmän energia kasvaa, ja E on positiivinen. Kun kuumalevy sammutetaan, vesi menettää lämpöä ympäristöönsä jäähtyessään huoneenlämpöiseksi, ja E on negatiivinen.
sisäisen energian ja työn välinen suhde voidaan ymmärtää yhdistämällä toinen konkreettinen esimerkki: volframihehkulanka hehkulampun sisällä., Kun workis tehnyt tämän järjestelmän ajamalla sähkövirta läpi volframi lanka, järjestelmää tulee kuumempi ja E on siis myönteinen. (Lopulta Lanka kuumenee tarpeeksi hehkuvaksi.) Käänteisesti Eis negatiivinen, kun järjestelmä toimii ympäristössään.
lämmön, työn ja sisäisen energian sign-yleissopimukset on tiivistetty alla olevassa kuvassa. Sisäinen energia-ja lämpötila-järjestelmä, vähennys (E < 0), kun systemeither menettää lämpöä tai ei toimi sen ympäristöä., Päinvastoin, sisäinen energia andtemperature lisäys (E> 0), kun järjestelmä voitot lämpöä ympäristöstään, tai kun ympäristössä tehdä työtä järjestelmän.,
Järjestelmä ja tehdä Töitä
järjestelmä on yleensä määritelty kemiallinen reaktio ja rajan tie on kontti, jossa reaktio on ajaa. Reaktion aikana lämpö poistuu elimistöstä tai imeytyy siihen., Lisäksi järjestelmä joko toimii luotausten parissa tai sen ympäristö on tehnyt sitä koskevaa työtä. Jompikumpi näistä vuorovaikutuksista vaikuttaa järjestelmän sisäiseen energiaan.
Esys= q + w,
Kaksi erilaista työhön liittyvät yleensä kemiallinen reaktio: electricalwork ja työn laajentaminen. Kemialliset reaktiot voivat tehdä työtä heidän luotauksiaan ajamalla sähkövirta ulkoisen johdon kautta., Reaktiot myös dowork ympäristöönsä, kun tilavuus-järjestelmä laajenee aikana thereaction työn määrä laajennus tapahtuu reaktio on yhtä suuri kuin tuotteen ofthe paine, jota vastaan järjestelmä laajenee kertaa volyymin muutos järjestelmää.
– w = – PV
allekirjoittaa yleissopimuksen tämä yhtälö kuvastaa sitä, että internalenergy järjestelmän pienenee, kun järjestelmä ei toimi sen ympäristöä.,
Entalpia Vs. Sisäinen Energia
Mitä tapahtuisi, jos olemme luoneet olosuhteet, joissa töitä ei ole isdone järjestelmä sen ympäristössä, tai päinvastoin, aikana kemiallinen reaktio? Näissä olosuhteissa reaktiosta vapautuva tai absorboitunut lämpö olisi yhtä suuri kuin järjestelmän sisäinen energia.
Esys= q (jos ja vain jos w = 0)
helpoin tapa saavuttaa nämä ehdot on ajaa reaktio atconstant määrä, joissa ei ole työn laajentaminen on mahdollista., Vakiotilavuudessa reaktion poistama tai absorboima heatgiven on yhtä suuri kuin reaktion aikana tapahtuvan sisäisen energian muutos.
Esys= qv (vakio määrä)
alla olevassa kuvassa kalorimetri, jossa reaktiot voidaan ajaa atconstant tilavuus. Suurin osa reaktioista tapahtuu kuitenkin avoimissa pulloissa ja dekanttereissa. Kun tämä isdone, tilavuus-järjestelmä ei ole vakio, koska kaasu voi joko tulla tai jättää thecontainer reaktion aikana., Järjestelmä on kuitenkin jatkuvassa paineessa, koska säiliön sisällä oleva kokonaispaine on aina yhtä suuri kuin Ilmanpaine.
Jos kaasu on ajettu pois pulloon reaktion aikana, järjestelmä doeswork sen ympäristössä. Jos reaktio vetää kaasun pulloon, ympäristö tarttuu järjestelmään. Emme voi vielä mitata määrä lämpöä annetaan pois tai imeytyy aikana reaktio, mutta se ei ole enää yhtä suuri muutos sisäinen energia järjestelmää, koska osa lämpöä on muunnettu työtä.,
Esys= q + w,
– Voimme kiertää tämän ongelman ottamalla käyttöön käsite entalpia(H), joka on summa sisäinen energia järjestelmä plus tuote thepressure kaasun järjestelmässä kertaa tilavuus-järjestelmä.
Hsys = Esys + PV
yksinkertaisuuden vuoksi, alaindeksi ”sys” jää pois symboli sekä sisäinen energia järjestelmä ja entalpia järjestelmän fromnow edelleen. Näin ollen lyhennämme järjestelmän entalpian ja järjestelmän sisäisen energian välisen suhteen seuraavasti.,
H = E + PV
muutos entalpia järjestelmän aikana kemiallinen reaktio isequal muutos sen sisäinen energia plus muutos tuote pressuretimes tilavuus-järjestelmä.
S= E + (AQ)
oletetaan, että reaktio on ajaa styroksi kuppi, kuten kuvassa thefigure alla.,
Koska reaktio on juosta jatkuva paine, muutos theenthalpy, joka tapahtuu reaktio on yhtä suuri muutos sisäinen energia-ofthe-järjestelmä sekä tuotteen jatkuva paine kertaa volyymin muutos järjestelmää.
S= E + PV (vakiopaineessa)
Korvaamalla ensimmäinen laki termodynamiikan osaksi tämä yhtälö antaa seuraavan tuloksen.,
S= (qp + w) + PV
Olettaen, että vain työtä reaktio on työn expansiongives yhtälön, jossa PV ehdoin peruuttaa.
S= (qp – SV) + PV
Näin, lämpöä annetaan pois tai imeytyy aikana kemiallinen reaktio atconstant paine on yhtä suuri muutos entalpia järjestelmän.,
S= qp (vakiopaineessa)
suhde muuttaa sisäistä energiaa systemduring kemiallinen reaktio ja entalpia reaktio voidaan tiivistää seuraavasti.
1. Vakionvolyymissa tapahtuvassa reaktiossa vapautuva tai absorboitunut lämpö on yhtä suuri kuin systeemin sisäisen energian muutos.
Esys= qv
2. Lämpö, joka vapautuu tai imeytyy, kun reaktio suoritetaan vakiopaineessa, on yhtä suuri kuin järjestelmän entalpian muutos.,
Hsys= qp
3. Muutos entalpia järjestelmän aikana kemiallinen reaktio isequal muutos sisäinen energia plus muutos tuote pressureof kaasu-järjestelmä ja sen tilavuus.
4., Ero E-ja H-järjestelmä on smallfor reaktioita, joihin liittyy vain nesteet ja kiinteät aineet, koska siellä on vähän, jos mitään välisenä tilavuus-järjestelmä reaktion aikana. Ero voi kuitenkin olla suhteellisen suuri reaktioissa,joihin liittyy kaasuja, jos moolien määrä muuttuu reaktion aikana.
Harjoitusongelma 1:
Mitkä seuraavista prosesseista ajetaan vakiotilavuudella ja mitkä ajetaan vakiopaineella?,
(a) happo-emäs-titraus,
(b) hajoavasta CaCo3 kuumentamalla kalkkikiveä tulikoe, jossa bunsen burner
(c) reaktio bewteen sinkki metalli-ja vesiliuosta Cu2+ – ionien kanssa muodostaen kupari metalli-ja Zn2+ – ioneja
(d) mittaus kaloria 1-oz. aamiaismurojen Tarjoilu polttamalla murot pommikalorimetrissä
Klikkaa tästä tarkistaaksesi vastauksesi Harjoitusongelmaan 1.