énergie, enthalpie et Première Loi de la thermodynamique
thermodynamique chimique
la thermodynamique est définie comme la branche de la science qui traite de la relation entre la chaleur et d’autres formes d’énergie, telles que le travail. Il est souvent résumé en trois lois qui décrivent les restrictions sur la façon dont différentes formes d’énergie peuvent être interconverties. La thermodynamique chimique est la partie de la thermodynamiqueprésente aux réactions chimiques.,
les Lois de La Thermodynamique
le Premier de la loi: l’Énergie est conservée; il ne peut être ni créée ni détruite.
deuxième loi: dans un système isolé, les processus naturels sont spontanés lorsqu’ils conduisent à une augmentation du désordre, ou entropie.
troisième loi: l’entropie d’un cristal parfait est nulle lorsque la température du cristal est égale au zéro absolu (0 K).,
Il y a eu beaucoup de tentatives pour construire un dispositif qui viole les lois ofthermodynamics. Tous ont échoué. La thermodynamique est l’un des rares domaines de la science dansqui il n’y a pas d’exceptions.
Le Système et ses Environs
l’Une des hypothèses de base de la thermodynamique, c’est l’idée que nous canarbitrarily diviser l’univers en un système et de ses environs., La frontière entre le système et son environnement peut être aussi réelle que les murs d’un becqui sépare une solution du reste de l’univers (comme dans la figure ci-dessous).
Ou il peut être aussi imaginaire que l’ensemble des points qui divisent l’air justabove la surface d’un métal en provenance du reste de l’atmosphère (comme dans la figure ci-dessous).,
Intérieur de l’Énergie
l’Une des propriétés thermodynamiques d’un système est son énergie interne,E, qui est la somme de la cinétique et potentiel des énergies des particules thatform le système. L’énergie interne d’un système peut être comprise en examenssystème le plus simple possible: un gaz idéal. Parce que les particules dans un gaz idéal ne le font pasinteract, ce système n’a pas d’énergie potentielle. L’énergie interne d’un gaz parfait istherefore la somme des énergies cinétiques des particules dans le gaz.,
la théorie moléculaire cinétique suppose que la température d’un gaz estdirectement proportionnelle à l’énergie cinétique moyenne de ses particules, comme le montre la figure ci-dessous.
L’énergie interne d’un gaz parfait est donc directement proportionnelle à la température du gaz.,
Esys = 3/2 RT
dans cette équation, R est la constante de gaz idéale en joules par molekelvin (J / mol-K) et T est la température en kelvin.
l’énergie interne des systèmes plus complexes qu’un Gascon idéal ne peut pas être mesurée directement. Mais l’énergie interne du système est toujours proportionnelle àsa température. Nous pouvons donc surveiller les changements dans l’énergie interne d’un système en observant ce qui arrive à la température du système. Chaque fois que la température du système augmente, nous pouvons conclure que l’énergie interne du système a égalementaugmenté.,
supposons, pour le moment, qu’un thermomètre immergé dans un bécher d’eausur une plaque chauffante indique 73,5 oC, comme le montre la figure ci-dessous. Cette mesure peutvous décrire l’état du système à ce moment – là. Il ne peut pas nous dire si l’eau a été chauffée directement de la température ambiante à 73,5 oC ou chauffée de la température de la pièce à 100oC, puis laissée refroidir.
la Température est donc une fonction d’état. Cela dépend uniquement de l’état du système à tout moment, pas du chemin utilisé pour amener le système à thatstate., Parce que l’énergie interne du système est proportionnelle à sa température,l’énergie interne est aussi une fonction d’état. Tout changement dans l’énergie interne du systèmeest égal à la différence entre ses valeurs initiales et finales.
Esys= Ef – Ei
La Première Loi De la Thermodynamique
La première loi de la thermodynamique peut être représenté par l’équation suivante,qui stipule que l’énergie de l’univers est constante., L’énergie peut être transférée du système à son environnement, ou vice versa, mais elle ne peut pas être créée ou détruite.,
First Law of Thermodynamics:
A more useful form of the first law describes how energy is conserved., Itsays que la variation de l’énergie interne d’un système est égale à la somme des heatgained ou perdus par le système et le travail effectué par le système.,
Première Loi de la Thermodynamique:
La convention de signe pour la relation entre l’énergie interne de l’asystem et la chaleur gagnée ou perdue par le système peuvent être compris par la pensée à propos de aconcrete exemple, comme un bécher rempli d’eau sur une plaque chauffante., Lorsque la plaque chauffante est tournéesur, le système gagne de la chaleur de son environnement. En conséquence, la température etl’énergie interne du système augmente, et E est positive. Lorsque la plaque chauffante est éteinte, l’eau perd de la chaleur dans son environnement lorsqu’elle se refroidit à température ambiante et E est négatif.
la relation entre l’énergie interne et le travail peut être comprise en considérant un autre exemple concret: le filament de tungstène à l’intérieur d’une ampoule., Lorsque le travail est effectué sur ce système en faisant passer un courant électrique à travers le fil de tungstène, le système devient plus chaud et E est donc positif. (Finalement, le fil devient assez chaudà briller.) Inversement, est négatif lorsque le système fonctionne sur son environnement.
Les conventions de signe pour la chaleur, le travail et l’énergie interne sont résumées dans la figure ci-dessous. L’énergie interne et la température d’un système diminuent (E < 0) lorsque le système perd de la chaleur ou travaille sur son environnement., Inversement, l’énergie interne et la température augmentent (E> 0) lorsque le système gagne de la chaleur de son environnement ou lorsque l’environnement fonctionne sur le système.,
Le Système et de Travail
Le système est généralement définie comme la réaction chimique et la frontière est un conteneur dans lequel la réaction est exécutée. Au cours de la réaction, la chaleur est soithergivé ou absorbé par le système., De plus, le système fonctionne soit sur ses environs, soit sur son environnement. L’une ou l’autre de ces interactions peutaffecter l’énergie interne du système.
Esys= q + w
deux types de travaux sont normalement associés à une réaction chimique: le travail électrique et le travail d’expansion. Les réactions chimiques peuvent faire un travail sur leurles environs en conduisant un courant électrique à travers un fil externe., Les réactions sont également présentes sur leur environnement lorsque le volume du système se dilate au cours de l’action la quantité de travail d’expansion effectuée par la réaction est égale au produit de la pression contre laquelle le système se dilate fois la variation du volume du système.
w = – P V
la convention de signe pour cette équation reflète le fait que l’énergie interne du système diminue lorsque le système fonctionne sur son environnement.,
enthalpie par rapport à L’énergie interne
que se passerait-il si nous créions un ensemble de conditions dans lesquelles aucun travail n’est effectué par le système sur son environnement, ou vice versa, lors d’une réaction chimique? Dans ces conditions, la chaleur dégagée ou absorbée par la réaction serait égale au changement d’énergie interne du système.
Esys= q (si et seulement si w = 0)
La meilleure façon d’atteindre ces conditions est d’exécuter la réaction atconstant volume, où aucun travail de développement est possible., À volume constant, la chaleurdonné ou absorbé par la réaction est égal à la variation de l’énergie interne quise produit pendant la réaction.
Esys= qv (à volume constant)
la figure ci-dessous montre un calorimètre dans lequel les réactions peuvent être exécutées à volume constant. La plupart des réactions, cependant, se déroulent dans des flacons et des béchers ouverts. Lorsque c’est le cas, le volume du système n’est pas constant car le gaz peut entrer ou sortir du réservoir pendant la réaction., Le système est à pression constante, cependant, parce quela pression totale à l’intérieur du conteneur est toujours égale à la pression atmosphérique.
Si un gaz est expulsé du ballon pendant la réaction, le système fonctionne sur son environnement. Si la réaction tire un gaz dans le ballon, les environs donctravailler sur le système. Nous pouvons toujours mesurer la quantité de chaleur dégagée ou absorbée pendant la réaction, mais elle n’est plus égale à la variation de l’énergie interne du système, car une partie de la chaleur a été convertie en travail.,
Esys= q + w
On peut contourner ce problème en introduisant la notion d’enthalpie(H), qui est la somme de l’énergie interne du système, plus le produit de thepressure de gaz dans le système de fois le volume du système.
Hsys = Esys + PV
Par souci de simplicité, l’indice « sys » sera laissé hors symbole pour l’énergie interne du système et l’enthalpie du système à partir de Maintenant. Nous allons donc abréger la relation entre l’enthalpie du systèmeet l’énergie interne du système comme suit.,
H = E + PV
la variation de l’enthalpie du système lors d’une réaction chimique est égale à la variation de son énergie interne plus la variation du produit de la pressionfois le volume du système.
H= E + (PV)
supposons que la réaction se déroule dans une tasse de styromousse, comme indiqué dans thefigure ci-dessous.,
étant donné que la réaction est exécutée à pression constante, la variation de l’enthalpie qui se produit pendant la réaction est égale à la variation de l’énergie interne du système plus le produit de la pression constante fois la variation du volume du système.
H= E + PV (à pression constante)
la Substitution de la première loi de la thermodynamique, dans cette équation donne le résultat suivant.,
H= (qp + w) + PV
en Supposant que le seul travail effectué par la réaction est un travail de expansiongives une équation dans laquelle le P & lt; div id= »e436de0880″>V conditions d’annuler.
H= (qp – P & lt; div id= »e436de0880″>V) + PV
Ainsi, la chaleur dégagée ou absorbée au cours d’une réaction chimique atconstant la pression est égale à la variation de l’enthalpie du système.,
H= qp (à pression constante)
la relation entre la variation de l’énergie interne du systèmependant une réaction chimique et l’enthalpie de réaction peut être résumée comme suit.
1. La chaleur dégagée ou absorbée lorsqu’une réaction est exécutée à constantvolume est égale à la variation de l’énergie interne du système.
Esys= qv
2. La chaleur dégagée ou absorbée lors d’une réaction à pression constante est égale à la variation de l’enthalpie du système.,
Hsys= qp
3. Le changement de l’enthalpie du système lors d’une réaction chimique estégal au changement de l’énergie interne plus le changement du produit de la pressiondu gaz dans le système et son volume.
4., La différence entre E et H pour le système est faible pour les réactions qui impliquent uniquement des liquides et des solides car il y a peu ou pas de changement dans le volume du système pendant la réaction. La différence peut être relativement importante, cependant, pour les réactions impliquant des gaz, s’il y a un changement dans le nombre de moles de gaz au cours de la réaction.
problème de pratique 1:
lequel des processus suivants est exécuté à volume constant et lequel est exécuté à pression constante?,
(a) un titrage acide-base
(b) la décomposition du CaCo3 par chauffage du calcaire dans un creuset avec un brûleur bunsen
(c) la réaction entre le zinc métal et une solution aqueuse d’ions Cu2+ pour former du cuivre métal et des ions Zn2+
(d) la mesure des calories dans un portion de céréales pour le petit déjeuner en brûlant les céréales dans un calorimètre à la bombe
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