Energi, Entalpi, og den Første Loven ofThermodynamics
Kjemisk Termodynamikk
Termodynamikk er definert som den gren av vitenskapen som omhandler withthe forholdet mellom varme og andre former for energi, slik som arbeid. Det er frequentlysummarized som tre lover som beskriver begrensninger på hvordan ulike former for energi canbe interconverted. Kjemisk termodynamikk er den delen av termodynamikk thatpertains til kjemiske reaksjoner.,
Den Lover om Termodynamikk
Første lov: Energi er bevart; det kan verken skapes eller ødelegges.
Andre lov: I et isolert system, naturlige prosesser er spontan når de fører til en økning i lidelse, eller entropi.
Tredje lov: entropien av en perfekt krystall er null når temperaturen på crystal er lik absolutt null (0 K).,
Det har vært mange forsøk på å bygge en enhet som bryter lover ofthermodynamics. Alle har mislyktes. Termodynamikk er en av de få områder av vitenskapen, der det finnes ingen unntak.
Systemet og Omgivelsene
En av de grunnleggende forutsetninger for termodynamikk er ideen om at vi canarbitrarily dele universet inn i et system og dets omgivelser., Theboundary mellom systemet og dets omgivelser kan være så ekte som veggene i en beakerthat skiller en løsning fra resten av universet (som i figuren nedenfor).
Eller det kan være så tenkt som et sett av poeng som deler luften justabove overflaten av et metall fra resten av atmosfæren (som i figuren nedenfor).,
Indre Energi
En av de termodynamiske egenskapene til et system, er dens indre energi,E, som er summen av kinetisk og potensiell energi av partikler thatform systemet. Den indre energien til et system, kan forstås ved å undersøke thesimplest mulig system: en ideell gass. Fordi partiklene i en ideell gass gjør notinteract, dette systemet har ingen potensiell energi. Den indre energien i en ideell gass istherefore summen av den kinetiske energier av partikler i gass.,
Den kinetiske molekylær teorien forutsetter at temperaturen av en gass isdirectly i forhold til den gjennomsnittlige kinetiske energien til sin partikler, som vist i thefigure nedenfor.
Det indre energi av en ideell gass er derfor direkte proporsjonal til temperaturen på gassen.,
Esys = 3/2 RT
I denne ligningen, R er ideell gass konstant i joule per molekelvin (J/mol-K) og T er temperaturen i kelvin.
Det indre energi av systemer som er mer komplekse enn en ideell gascan ikke måles direkte. Men den indre energien i systemet er fortsatt proporsjonal toits temperatur. Vi kan derfor følge med på endringer i den indre energien til et system bywatching hva som skjer med temperaturen i systemet. Når temperaturen i thesystem øker vi kan konkludere med at den indre energien i systemet har alsoincreased.,
Anta, for øyeblikket, som et termometer midt i et beger av wateron en varm plate leser 73.5 oC, som vist i figuren nedenfor. Denne målingen canonly beskrive tilstanden til systemet på det tidspunktet. Den kan ikke fortelle oss om thewater var oppvarmet direkte fra romtemperatur til 73.5 oC eller oppvarmet fra roomtemperature til 100oC og deretter kjøle seg.
Temperatur er derfor en stat funksjon. Det avhenger bare på thestate av systemet til enhver tid, ikke banen som brukes for å få systemet til å thatstate., Fordi den indre energien i systemet er proporsjonal med dens temperatur,indre energi er også en tilstand funksjon. Enhver endring i indre energi av systemis lik differansen mellom den opprinnelige og endelige verdier.
Esys= Ef – Ei
Den Første Loven Om Termodynamikk
Den første lov i termodynamikken kan bli fanget opp i følgende ligning,som sier at energien i universet er konstant., Energi kan overføres suge systemet til sine omgivelser, eller vice versa, men det kan ikke skapes eller ødelegges.,
First Law of Thermodynamics:
A more useful form of the first law describes how energy is conserved., Itsays at endringen i indre energi i et system er lik summen av heatgained eller mistet av systemet og arbeidet som er utført av eller på systemet.,
Første Lov Termodynamikk:
Den fortegn for forholdet mellom den indre energien til asystem og varme fått eller mistet av systemet kan forstås ved å tenke på aconcrete eksempel, som for eksempel et beger med vann på en varm plate., Når den varme platen er turnedon, systemet får varme fra omgivelsene. Som et resultat, både temperatur og theinternal energien i systemet øker, og E er positive. Når den varme platen er slått av, thewater taper varme til omgivelsene som den kjøles ned til romtemperatur, og E er negative.
forholdet mellom indre energi og arbeid kan forstås byconsidering et annet konkret eksempel: tungsten filament inne i en lyspære., Når workis gjort på dette systemet ved å kjøre en elektrisk strøm gjennom tungsten wire, thesystem blir varmere og E er derfor positiv. (Til slutt, ledningen blir varmt enoughto glød.) Derimot, Eis negative når systemet fungerer på sine omgivelser.
logg konvensjoner for varme, arbeid og indre energi er oppsummert i figuren nedenfor. Den indre energien og temperatur i et system nedgang (E < 0) når systemeither taper varme eller fungerer på sine omgivelser., Omvendt, indre energi andtemperature økning (E> 0) når systemet får varme fra omgivelsene eller når omgivelsene gjør workon systemet.,
Systemet og Arbeid
systemet er vanligvis definert som den kjemiske reaksjonen og grensen isthe beholder hvor reaksjonen er kjørt. I løpet av reaksjonen, varme er eithergiven av eller absorbert av systemet., Videre vil systemet enten fungerer på itsurroundings eller har arbeid som gjøres på det av omgivelsene. Noen av disse vekselsvirkningene canaffect den indre energien i systemet.
Esys= q + w
To typer arbeid er vanligvis forbundet med en kjemisk reaksjon: electricalwork og arbeid for utvidelse. Kjemiske reaksjoner kan gjøre arbeidet på theirsurroundings ved å kjøre en elektrisk strøm gjennom en ekstern wire., Reaksjoner også dowork på omgivelsene når volumet av systemet utvides i løpet av thereaction mengden av arbeid for utvidelse gjort av reaksjon er lik produktet ofthe press mot systemet utvider ganger endring i volumet av thesystem.
w = – PV
fortegn for denne ligningen reflekterer det faktum at internalenergy av systemet reduseres når systemet fungerer på sine omgivelser.,
Entalpi Versus Indre Energi
Hva ville skje hvis vi laget et sett med betingelser som ikke fungerer isdone av systemet på sine omgivelser, eller vice versa, under en kjemisk reaksjon? Underthese forhold, varmen som avgis eller absorbert av reaksjonen ville være lik thechange i den indre energien i systemet.
Esys= q (hvis og bare hvis b = 0)
Den enkleste måten å oppnå disse vilkårene er å kjøre reaksjon atconstant volum, hvor ingen jobb for utvidelse er mulig., Ved konstant volum, den heatgiven av eller absorbert av reaksjon er lik endringen i intern energi thatoccurs under reaksjonen.
Esys= qv (ved konstant volum)
figuren nedenfor viser en calorimeter i hvilke reaksjoner kan kjøres atconstant volum. De fleste reaksjoner, men kjøres i åpne flasker og kanner. Når dette isdone, volumet av systemet er ikke konstant fordi gassen kan enten gå inn i eller forlate thecontainer under reaksjonen., Systemet er i konstant press, men fordi thetotal trykket i beholderen er alltid lik atmosfæretrykket.
Hvis en gass er drevet ut av kolben under reaksjonen, systemet doeswork på sine omgivelser. Hvis reaksjonen trekker en gass i kolben, omgivelsene dowork på systemet. Vi kan likevel måle mengden av varme som avgis eller absorbert duringthe reaksjon, men det er ikke lenger lik endringen i intern energi til thesystem, fordi noen av de varme har blitt omgjort til arbeid.,
Esys= q + w
Vi kan komme rundt dette problemet ved å innføre begrepet entalpi(H), som er summen av den indre energien i systemet pluss produkt av thepressure av gass i systemet ganger volumet av systemet.
Hsys = Esys + PV
For enkelhets skyld, og senket skrift «sys» vil bli stående avden symbol for både den indre energien i systemet og entalpi av systemet fromnow på. Vi vil derfor forkorte forholdet mellom entalpi av systemand den indre energien i systemet som følger.,
H = E + PV
endre i entalpi av systemet under en kjemisk reaksjon isequal til endring i indre energi pluss endringen i produktet av pressuretimes volumet av systemet.
H= E + (PV)
La oss anta at reaksjonen er å kjøre i en styrofoam cup, som vist i thefigure nedenfor.,
Fordi reaksjonen går på konstant press, endring i theenthalpy som oppstår under reaksjonen er lik endringen i intern energi ofthe systemet pluss produkt av det konstante presset ganger endring i volumet av thesystem.
H= E + PV (ved konstant trykk)
Erstatter den første lov i termodynamikken i denne ligningen gir thefollowing resultat.,
H= (qp + b) + PV
hvis vi Antar at det bare er arbeidet gjort av reaksjonen er arbeid av expansiongives en ligning der PV vilkår avbryt.
H= (qp – PV) + PV
Derfor, varmen som avgis eller absorbert i løpet av en kjemisk reaksjon atconstant trykket er lik endringen i entalpi av systemet.,
H= qp (ved konstant trykk)
forholdet mellom endringen i indre energi av systemduring en kjemisk reaksjon og entalpi av reaksjonen kan oppsummeres som følger.
1. Varmen som avgis eller absorbert når en reaksjon går på constantvolume er lik endringen i indre energi i systemet.
Esys= qv
2. Varmen som avgis eller absorbert når en reaksjon går på constantpressure er lik endringen i entalpi av systemet.,
Hsys= qp
3. Endringen i entalpi av systemet under en kjemisk reaksjon isequal til endring i indre energi pluss endringen i produktet av pressureof gass i systemet og dets volum.
4., Forskjellen mellom E og H for systemet er smallfor reaksjoner som involverer bare væsker og faste stoffer, fordi det er lite, om noe changein volumet av systemet under reaksjonen. Forskjellen kan være relativt store,men for reaksjoner som involverer gasser, dersom det er en endring i antall føflekker ofgas i løpet av reaksjonen.
Praksis Problem 1:
Hvilke av følgende prosesser kjøres på konstant volum og som kjøres på konstant press?,
(a) en syre-base titrering
(b) rotne CaCo3 ved oppvarming kalkstein i en smeltedigel med en bunsen-brenner
(c) reaksjon bewteen sink metall og en vandig løsning av Cu2+ – ioner for å danne kobber metall og Zn2+ – ioner
(d) måling av kalorier i en 1-oz. servering av frokost frokostblanding ved å brenne frokostblanding i en bombe calorimeter
Klikk her for å se svaret ditt til Praksis Problem 1.