energia, entalpia, és a termodinamika első törvénye
kémiai termodinamika
A termodinamika a tudomány azon ága, amely a hő és más energiaformák, például a munka közötti összefüggéssel foglalkozik. Gyakran három törvényként értelmezik, amelyek korlátozzák, hogy az energia különböző formái hogyan kapcsolódhatnak egymáshoz. A kémiai termodinamika a termodinamika azon része, amelykémiai reakciókra vonatkozik.,
A termodinamika törvényei
első törvény: az energia megmarad; nem hozható létre és nem semmisíthető meg.
második törvény: egy elszigetelt rendszerben a természetes folyamatok spontánok, amikor a rendellenesség vagy az entrópia növekedéséhez vezetnek.
harmadik törvény: a tökéletes kristály entrópiája nulla, ha a kristály hőmérséklete egyenlő abszolút nullával (0 K).,
számos kísérlet történt olyan eszköz létrehozására, amely megsérti a termodinamika törvényeit. Minden kudarcot vallott. A termodinamika egyike a tudomány azon kevés területeinek, amelyekben nincsenek kivételek.
a rendszer és a környezet
a termodinamika egyik alapfeltevése, hogy az univerzumot egy rendszerre és annak környezetére oszthatjuk., A rendszer és környezete közötti határvonal ugyanolyan valós lehet, mint egy beaker falai, amely elválasztja a megoldást a világegyetem többi részétől (mint az alábbi ábrán).
vagy lehet olyan képzeletbeli, mint a pontok halmaza, amelyek csak a levegőt osztjáka fém felszíne felett a légkör többi részéből (mint az alábbi ábrán).,
belső energia
a rendszer egyik termodinamikai tulajdonsága a belső energiája,E, amely a rendszert alkotó részecskék kinetikus és potenciális energiáinak összege. A rendszer belső energiája megérthető aa lehető legegyszerűbb rendszer: ideális gáz. Mivel az ideális gáz részecskéi neminterakt, ennek a rendszernek nincs potenciális energiája. Az ideális gáz belső energiájaezért a gázban lévő részecskék kinetikus energiáinak összege.,
a kinetikus molekuláris elmélet feltételezi, hogy a gáz hőmérséklete közvetlenül arányos a részecskék átlagos kinetikus energiájával, amint azt az alábbi ábra mutatja.
A belső energia az ideális gáz ezért egyenesen arányos azoknak a gáz hőmérséklete.,
Esys = 3/2 RT
ebben az egyenletben R az ideális gázállandó Joule per molekelvin (J / mol-k) és t a kelvin hőmérséklete.
Az ideális gáznál összetettebb rendszerek belső energiáját nem lehet közvetlenül mérni. De a rendszer belső energiája még mindig arányoshőmérsékletét. Ezért figyelemmel kísérhetjük a rendszer belső energiájának változásaitfigyeljük meg, mi történik a rendszer hőmérsékletével. Amikor a rendszer hőmérséklete emelkedik, arra a következtetésre juthatunk, hogy a rendszer belső energiája is növekedett.,
feltételezzük, hogy egy hőmérő vízbe merítettegy főzőlapra 73,5 oC, amint azt az alábbi ábra mutatja. Ez a mérés képescsak leírja a rendszer állapotát abban a pillanatban. Nem tudja megmondani, hogy a vizet közvetlenül szobahőmérsékletről 73,5 oC-ra melegítették-e, vagy a helyiség hőmérsékletéről 100 ° C-ra melegítették, majd hűlni engedték.
a hőmérséklet tehát állapotfüggvény. Ez csak attól függa rendszer állapota bármely pillanatban, nem pedig a rendszer elérésének útvonala.állam., Mivel a rendszer belső energiája arányos a hőmérsékletével, a belső energia szintén állami funkció. A rendszer belső energiájának bármilyen változásaegyenlő a kezdeti és a végső értékek közötti különbséggel.
Esys= Ef – Ei
A termodinamika első törvénye
a termodinamika első törvénye a következő egyenletben rögzíthető,amely kimondja, hogy az univerzum energiája állandó., Az energia átvihetőa rendszer a környezetébe, vagy fordítva, de nem hozható létre vagy semmisíthető meg.,
First Law of Thermodynamics:
A more useful form of the first law describes how energy is conserved., Azt állítja, hogy egy rendszer belső energiájának változása megegyezik a rendszer által okozott vagy elveszített hő összegével, valamint a rendszer által vagy a rendszeren végzett munkával.,
Első főtétele:
A jel egyezmény a kapcsolat a belső energia asystem a hő nyert vagy vesztett, a rendszer lehet érteni, gondoltam ennek konkrét példa, mint egy korty víz a forró., Amikor a főzőlapot forgatják, a rendszer hőt nyer a környezetéből. Ennek eredményeként mind a hőmérséklet, mind aa rendszer belső energiája növekszik, és e pozitív. Amikor a főzőlap ki van kapcsolva, a víz elveszíti a környezetének a hőt, mivel szobahőmérsékletre hűl, az E pedig negatív.
a belső energia és a munka közötti összefüggést egy másik konkrét példával lehet értelmezni: a volfrám izzószál egy villanykörte belsejében., Ha ezen a rendszeren elektromos áramot vezetünk a volfrámhuzalon keresztül, akkor a rendszer forróbbá válik, ezért a e pozitív. (Végül a huzal elég meleg leszhogy ragyogjon.) Ezzel szemben Eis negatív, ha a rendszer működik a környezetében.
a hő, a munka és a belső energia jelzéseit az alábbi ábra foglalja össze. A rendszer belső energiája és hőmérséklete csökken (E < 0), amikor a rendszer elveszíti a hőt, vagy dolgozik a környezetében., Ezzel szemben a belső energia éshőmérséklet növekszik (E> 0), amikor a rendszer hőt nyer a környezetéből, vagy amikor a környezet működika rendszeren.,
A Rendszer Dolgozni
A rendszer általában meghatározott kémiai reakció, valamint a határ a konténert, amelyben a reakció fut. A reakció során a hő isa rendszer kikapcsolja vagy felszívja., Továbbá a rendszer vagy a saját területén dolgozik, vagy a környezete által végzett munkát végzi. Ezen interakciók egyike képesbefolyásolja a rendszer belső energiáját.
Esys= q + w
kétféle munka általában kémiai reakcióval társul: elektromos munka és expanziós munka. A kémiai reakciók a sajátjukon dolgozhatnakkörömöket egy elektromos áram vezetésével egy külső huzalon keresztül., A reakciók akkor is hatással vannak a környezetükre, amikor a rendszer térfogata a működés során kitágul, a reakció által végzett expanziós munka mennyisége megegyezik a következővel: nyomás, amellyel szemben a rendszer kiterjeszti a rendszer térfogatának változását.rendszer.
w = – pV
az egyenlet jelkonvenciója tükrözi azt a tényt, hogy a rendszer belső energiája csökken, amikor a rendszer a környezetében működik.,
entalpia Versus belső energia
mi történne, ha olyan feltételeket hoznánk létre, amelyek mellett a rendszer nem végez munkát a környezetében, vagy fordítva, kémiai reakció során? Ilyen körülmények között a reakció által kibocsátott vagy elnyelt hő megegyezik a rendszer belső energiájának változásával.
Esys= q (ha és csak akkor, ha w = 0)
a legegyszerűbb módja annak, hogy elérjék ezeket a feltételeket, hogy futtassa a reakció atconstant kötet, ahol nincs munka bővítése lehetséges., Állandó térfogatban a hőa reakció által kiváltott vagy abszorbeált hő megegyezik a belső energia változásávala reakció során következik be.
Esys= qv (állandó térfogatban)
az alábbi ábra egy kalorimétert mutat, amelyben a reakciók atstant térfogatban futtathatók. A legtöbb reakció azonban nyitott lombikokban és főzőpoharakban zajlik. Amikor ez megtörténik, a rendszer térfogata nem állandó, mert a gáz a reakció során beléphet vagy elhagyhatja a tartályt., A rendszer azonban állandó nyomáson van, mert aa tartály teljes nyomása mindig megegyezik a légköri nyomással.
Ha a reakció során gáz kerül ki a lombikból, a rendszer nem működik a környezetében. Ha a reakció egy gázt húz a lombikba,akkor a környezeta rendszeren. Még mindig meg tudjuk mérni a hőt adott le, vagy felszívódik a reakció, de ez már nem egyenlő a változás a belső energia thesystem, mert a hő alakították át dolgozik.,
Esys= q + w
az entalpia(H) fogalmának bevezetésével megkerülhetjük ezt a problémát, amely a rendszer belső energiájának összege, valamint a gáz termékea rendszerben lévő nyomás a rendszer térfogatának szorzata.
Hsys = Esys + PV
az egyszerűség kedvéért a “sys” alindex le lesz maradvaa szimbólum mind a rendszer belső energiájára, mind a rendszer entalpiájára vonatkozikmost. Ezért rövidítjük a rendszer entalpiája közötti kapcsolatotés a rendszer belső energiáját az alábbiak szerint.,
H = E + PV
a kémiai reakció során a rendszer entalpiájának változása megegyezik a belső energia változásával, valamint a nyomás termékének változásávalalkalommal a rendszer térfogata.
H= E + (PV)
feltételezzük, hogy a reakció egy hungarocell csészében fut, az alábbi ábrán látható módon.,
mivel a reakció állandó nyomáson megy végbe, a reakció során bekövetkező változás megegyezik a rendszer belső energiájának változásával, valamint az állandó nyomás szorzatával a rendszer térfogatának változása.
H= e + PV (állandó nyomáson)
A termodinamika első törvényének helyettesítése ebbe az egyenletbe adja a következő eredményt.,
H= (qp + w) + pV
feltételezve, hogy a reakció által végzett egyetlen munka expansiongives egy egyenletet, amelyben a pV kifejezések megszakadnak.
H= (qp – PV) + pV
így a kémiai reakció során kibocsátott vagy elnyelt hő megegyezik a rendszer entalpiájának változásával.,
H= qp (állandó nyomáson)
a rendszer belső energiájának változása és a reakció entalpiája közötti kapcsolat a következőképpen foglalható össze.
1. Az állandó reakció során kibocsátott vagy elnyelt hőa térfogat megegyezik a rendszer belső energiájának változásával.
Esys= qv
2. Az állandó reakció során kibocsátott vagy elnyelt hőnyomás megegyezik a rendszer entalpiájának változásával.,
Hsys= qp
3. A kémiai reakció során a rendszer entalpiájának változása megegyezik a belső energia változásával, valamint a nyomás termékének változásávala rendszerben lévő gáz és annak térfogata.
div id = “e436de0880”>esys +
4., A rendszer E és H közötti különbsége kicsi azoknál a reakcióknál, amelyek csak folyadékokat és szilárd anyagokat tartalmaznak, mivel a reakció során a rendszer térfogatában kevés, ha bármilyen változás történik. A különbség azonban viszonylag nagy lehet a gázokkal járó reakciók esetében, ha a reakció során megváltozik a gáz móljainak száma.
Practice Problem 1:
az alábbi folyamatok közül mely folyamatok futnak állandó térfogatban és melyek futnak állandó nyomáson?,
(a) egy sav-bázis titrálás
(b) bomló CaCo3 által fűtés mészkő egy tégely egy bunsen-égő
(c) a reakció bewteen cink fém, illetve a vizes oldat a Cu2+ – ionok formájában réz fém, Zn2+ ionok
(d) mérése a kalória egy 1-oz. reggeli gabona tálalása a gabona bomba kaloriméterben történő égetésével
kattintson ide, hogy ellenőrizze a választ a gyakorlati problémára 1.