Energie, Entalpia, și Prima Lege ofThermodynamics
Termodinamicii Chimice
Termodinamicii este definit ca ramură a științei care se ocupă cu relația dintre căldură și alte forme de energie, cum ar fi munca. Este frequentlysummarized ca trei legi care descriu restricțiile privind modul în care diferite forme de energie poate fi interconverted. Termodinamica chimică este porțiunea de termodinamicăperține reacțiilor chimice.,
Legile Termodinamicii
Prima lege: conservarea Energiei; ea nu poate fi nici creată, nici distrusă. a doua lege: într-un sistem izolat, procesele naturale sunt spontane atunci când duc la o creștere a tulburării sau a entropiei.a treia lege: entropia unui cristal perfect este zero atunci când temperatura cristalului este egală cu zero absolut (0 K).,
au fost multe încercări de a construi un dispozitiv care încalcă legile ofthermodynamics. Toți au eșuat. Termodinamica este una dintre puținele domenii ale științei din Româniape care nu există excepții. una dintre ipotezele de bază ale termodinamicii este ideea că putemîmpărțiți arbitrar universul într-un sistem și împrejurimile sale., Limita dintre sistem și împrejurimile sale poate fi la fel de reală ca pereții unui ciocercare separă o soluție de restul universului (ca în figura de mai jos).
Sau poate fi la fel de imaginar ca un set de puncte care împart aer justabove suprafața unui metal din restul de atmosfera (ca în figura de mai jos).,una dintre proprietățile termodinamice ale unui sistem este energia sa internă, E, care este suma energiilor cinetice și potențiale ale particulelor careformează sistemul. Energia internă a unui sistem poate fi înțeleasă prin examinareacel mai simplu sistem posibil: un gaz ideal. Deoarece particulele dintr-un gaz ideal nuinteracționează, acest sistem nu are energie potențială. Energia internă a unui gaz ideal esteprin urmare, suma energiilor cinetice ale particulelor din gaz., teoria moleculară cinetică presupune că temperatura unui gaz estedirect proporțională cu energia cinetică medie a particulelor sale, așa cum se arată încifra de mai jos.
energia internă a unui gaz ideal este, prin urmare, direct proporțional cu temperatura gazului.,în această ecuație, R este constanta ideală a gazului în jouli pe molekelvin (J/Mol-K) și T este temperatura în kelvin.
energia internă a sistemelor care sunt mai complexe decât un gaz idealnu pot fi măsurate direct. Dar energia internă a sistemului este încă proporțională cutemperatura sa. Prin urmare, putem monitoriza schimbările în energia internă a unui sistem prinurmărind ce se întâmplă cu temperatura sistemului. Ori de câte ori temperatura sistemului crește, putem concluziona că energia internă a sistemului a crescut, de asemenea.,
presupunem, pentru moment, că un termometru scufundat într-un pahar de apăpe o placă fierbinte citește 73,5 oC, așa cum se arată în figura de mai jos. Această măsurătoare poatedescrie doar starea sistemului în acel moment în timp. Nu ne poate spune dacă apa a fost încălzită direct de la temperatura camerei la 73,5 oC sau încălzită de la temperatura camerei la 100oC și apoi lăsată să se răcească.
temperatura este, prin urmare, o funcție de stare. Depinde doar destarea sistemului în orice moment în timp, nu Calea folosită pentru a duce sistemul la acest stat., Deoarece energia internă a sistemului este proporțională cu temperatura sa, energia internă este, de asemenea, o funcție de stare. Orice schimbare a energiei interne a sistemuluieste egală cu diferența dintre valorile sale inițiale și cele finale.
Esys= Ef – Ei
Prima Lege A Termodinamicii
prima lege a termodinamicii poate fi capturat în următoarea ecuație,care afirmă că energia din univers este constantă., Energia poate fi transferată de lasistemul în împrejurimile sale sau invers, dar nu poate fi creat sau distrus.,
First Law of Thermodynamics:
A more useful form of the first law describes how energy is conserved., Itsays că schimbarea în energia internă a unui sistem este egală cu suma de heatgained sau pierdut de sistem și munca făcută de sau pe sistem.,
Prima Lege a Termodinamicii:
Convenția de semne pentru relația dintre energia internă a asystem și căldură câștigat sau de pierdut prin sistemul poate fi înțeleasă de gândire despre aconcrete exemplu, cum ar fi un pahar de apă pe o farfurie fierbinte., Când placa fierbinte este rotităpe, sistemul câștigă căldură din împrejurimile sale. Ca urmare, atât temperatura, cât șienergia internă a sistemului crește, iar E este pozitivă. Când placa fierbinte este oprită, apa pierde căldură în împrejurimile sale, deoarece se răcește la temperatura camerei, iar E este negativă.relația dintre energia internă și muncă poate fi înțeleasă prinavând în vedere un alt exemplu concret: filamentul de tungsten din interiorul unui bec., Când se lucrează la acest sistem prin conducerea unui curent electric prin firul de tungsten, sistemul devine mai fierbinte și E este, prin urmare, pozitiv. (În cele din urmă, firul devine suficient de fierbintepentru a străluci.) Invers, Eis negativ atunci când sistemul funcționează pe împrejurimile sale.convențiile semn pentru căldură, muncă și energie internă sunt rezumate în figura de mai jos. Energia internă și temperatura unui sistem scad (e < 0) atunci când sistemul pierde căldură sau lucrează în împrejurimile sale., În schimb, energia internă andtemperature creștere (E> 0) atunci când sistemul câștigurile de căldură din împrejurimile sale sau atunci când împrejurimile face lucruasupra sistem.,
Sistemul și de a Lucra
sistemul este de obicei definită ca o reacție chimică și limita este recipientul în care reacția este condusă. În cursul reacției, căldura este fiedat sau absorbit de sistem., În plus, sistemul fie lucrează în jurul său, fie lucrează în jurul său. Oricare dintre aceste interacțiuni poateafectează energia internă a sistemului.
Esys= q + w
Două tipuri de muncă sunt în mod normal asociate cu o reacție chimică: electricalwork și activitatea de expansiune. Reacțiile chimice pot lucra asupra lorînconjurători prin conducerea unui curent electric printr-un fir extern., Reacții, de asemenea, dowork pe împrejurimile lor atunci când volumul de sistem se extinde pe parcursul thereaction volumul de muncă de expansiune făcut de reacție este egală cu produsul dintre presiunea față de care sistemul se extinde ori schimbarea în volumul de thesystem.
w = – PV
convenția De semne pentru această ecuație reflectă faptul că internalenergy a sistemului scade atunci când sistemul nu funcționează în împrejurimile sale.,
Entalpia Versus Interne a Energiei
Ce s-ar întâmpla dacă ne-am creat un set de condiții în care nici o muncă nu se face de la sistemul de împrejurimile sale, sau vice-versa, în timpul o reacție chimică? În aceste condiții, căldura degajată sau absorbită de reacție ar fi egală cu schimbarea energiei interne a sistemului.
Esys= q (dacă și numai dacă w = 0)
Cel mai simplu mod de a realiza aceste condiții este de a rula reacția atconstant volum, în cazul în care nici o lucrare de expansiune este posibil., La volum constant, călduradat oprit sau absorbit de reacție este egal cu schimbarea energiei interne careapare în timpul reacției.
Esys= qv (la volum constant)
figura De mai jos arată un calorimetru în care reacțiile pot fi rulate atconstant volum. Cele mai multe reacții, cu toate acestea, sunt rulate în baloane deschise și pahare de laborator. Când acest lucru este făcut, volumul sistemului nu este constant, deoarece gazul poate intra sau părăsi containerul în timpul reacției., Sistemul este la presiune constantă, totuși, pentru căpresiunea totală din interiorul containerului este întotdeauna egală cu presiunea atmosferică.
dacă un gaz este scos din balon în timpul reacției, sistemul o facelucrează la împrejurimile sale. Dacă reacția trage un gaz în balon, împrejurimile faclucrați pe sistem. Putem măsura în continuare cantitatea de căldură degajată sau absorbită în timpul reacției, dar nu mai este egală cu schimbarea energiei interne a sistemului, deoarece o parte din căldură a fost transformată în muncă.,
Esys= q + w
putem obține în jurul valorii de această problemă prin introducerea conceptului de entalpie(H), care este suma dintre energia internă a sistemului plus produsul dintre thepressure de gaz în sistemul de ori volumul de sistem.
Hsys = Esys + PV
Pentru motive de simplitate, indicele „sys” va fi lăsat pe simbol atât pentru energia internă a sistemului și entalpia sistemului fromnow pe. Prin urmare, vom abrevia relația dintre entalpia sistemuluiși energia internă a sistemului după cum urmează.,schimbarea entalpiei sistemului în timpul unei reacții chimice esteegală cu schimbarea energiei sale interne plus schimbarea produsului presiuniitimpul volumului sistemului.
H= E + (PV)
Să presupunem că reacția este condusă într-un pahar de plastic, așa cum se arată în thefigure de mai jos., deoarece reacția este rulată la presiune constantă, schimbarea înenthalpie care apare în timpul reacției este egală cu schimbarea energiei interne a sistemului plus produsul presiunii constante ori modificarea volumului sistemului.
H= E + PV (la presiune constantă)
Înlocuind prima lege a termodinamicii în această ecuație dă următorul rezultat.,
H= (qp + w) + PV
Presupunând că numai munca depusă de reacție este activitatea de expansiongives o ecuație în care PV termenii anula.astfel, căldura degajată sau absorbită în timpul unei reacții chimice lapresiunea constantă este egală cu schimbarea entalpiei sistemului.,
H= qp (la presiune constantă)
relația dintre variația energiei interne a systemduring o reacție chimică și entalpia de reacție pot fi rezumate după cum urmează.
1. Căldura degajată sau absorbită atunci când o reacție este rulată la constantăvolumul este egal cu schimbarea energiei interne a sistemului.
Esys= qv
2. Căldura degajată sau absorbită atunci când o reacție este rulată la constantăpresiunea este egală cu schimbarea entalpiei sistemului.,
Hsys= qp
3. Schimbarea entalpiei sistemului în timpul unei reacții chimice esteegală cu schimbarea energiei interne plus schimbarea produsului presiuniia gazului din sistem și volumul acestuia.
4., Diferența dintre E și H pentru sistem este micăpentru reacțiile care implică numai lichide și solide, deoarece există puține modificări în volumul sistemului în timpul reacției. Diferența poate fi relativ mare, totuși, pentru reacțiile care implică gaze, dacă există o modificare a numărului de moli degaz în cursul reacției.
problema practică 1:
care dintre următoarele procese sunt rulate la volum constant și care sunt rulate la presiune constantă?,
(a) o titrare acido-bazică
(b) descompunerea CaCo3 prin încălzirea calcarului într-un creuzet cu un arzător bunsen
(c) reacția bewteen metal de zinc și o soluție apoasă de ioni de Cu2+ pentru a forma metale de cupru și ioni de Zn2+
(d) măsurarea caloriilor într-un 1 oz. servirea cerealelor pentru micul dejun prin arderea cerealelor într-un calorimetru cu bombă
Faceți clic aici pentru a verifica răspunsul dvs. la problema practică 1.