Хімічна термодинаміка
Тепло і робота
Робота та тепло можуть бути описані за допомогою однієї і тієї ж одиниці виміру. Іноді калорія є одиницею виміру і стосується кількості тепла, необхідного для підняття одного (1) грама води на один (1) градус Цельсія. Теплова енергія вимірюється в кілокалоріях, або 1000 калорій. Як правило, ми використовуємо одиниці СІ джоулів (J) і кілоджоулів (кДж). Одна калорія тепла еквівалентна 4.187 Дж. Ви також зустрінете термін питома теплота, тепло, необхідне для підняття одного (1) грама матеріального (1) градуса Цельсія. Питома теплоємність, що позначається символом "С", зазвичай визначається як:
C. = питома теплоємність в кал/г- ° C
q = тепло, додане в калоріях,
м = маса в грамах
ΔT = підвищення температури матеріалу в ° С.
Значення C. для води - 1,00 кал/г- ° С.
Значення питомого нагрівання, про які повідомляється в літературі, зазвичай перераховуються при певному тиску та/або обсязі, і вам потрібно звертати увагу на ці налаштування при використанні значень із підручників у задачах чи комп'ютерних моделях.
Приклад проблеми: Якщо речовина 2,34 г при температурі 22 ° C при питомій температурі 3,88 кал/г- ° C нагрівається разом з енергією 124 кал, яка нова температура речовини?
Ще дві загальні змінні температури - теплота плавлення та теплота випаровування. Тепло плавлення - це тепло, необхідне для плавлення речовини при температурі плавлення, тоді як теплота пароутворення - це тепло, необхідне для випаровування речовини при температурі кипіння.
Хімічна робота в першу чергу пов'язана з роботою з розширення. У фізиці робота визначається як:
w = робота, в джоулях (N × м) (або калорій, але ми використовуємо переважно одиниці СІ)
d = відстань у метрах
f = сила протистояння в ньютонах (кг * м/с 2)
У хімічних реакціях робота зазвичай визначається як:
w = відстань × (площа × тиск)
Значення відстані в площі фактично є обсягом. Якщо ми уявляємо, що реакція протікає в ємності деякого об’єму, ми вимірюємо роботу тиском, кратним зміні об’єму. w = ΔV × P
ΔV - зміна обсягу, в літрах
Якщо ΔV = 0, то ніякої роботи не проводиться.
Приклад проблеми: Обчисліть роботу, яку потрібно виконати при стандартній температурі та тиску (STP дорівнює 0 ° C та 1 атм), щоб звільнити місце для продуктів згоряння октану:
| Відповідь: |
| Знаючи, що 25 моль газу в цій реакції замінюється 34 молями газу, ми можемо розрахувати чистий приріст на 9 молей газу. Знаючи молярний об’єм ідеального газу при STP (22,4 л/моль), можна обчислити зміну обсягу та роботу розширення dV = 9 молей ∗ 22,4 л/моль = 202 л Зовнішній тиск становить 1,0 атм (стандартний тиск), тому необхідні роботи: w = dV ∗ P = 202 L ∗ 1,00 атм = 202 l-атм Використовуючи коефіцієнт перерахунку 1 L-атм = 101 Дж, обсяг роботи в джоулях становить: w = 202 L-атм * 101 Дж/L-атм = 2000 Дж, або 2 кДж енергії |
Енергія
ΔE - це зміна внутрішньої енергії системи
q - тепло, що надходить в систему
w це робота, що виконується системою
Якщо q є позитивним, ми говоримо, що реакція ендотермічна, тобто тепло надходить у реакцію із зовнішнього оточення. Якщо q негативна, тоді реакція екзотермічна, тобто тепло віддається зовнішньому оточенню.
Ви також можете запам'ятати терміни кінетична енергія та потенційна енергія. Кінетична енергія - це енергія руху - кількість енергії в об’єкті, що рухається. Потенційна енергія - це нерухома, накопичена енергія. Якщо ви думаєте про кульку, яка сидить на краю столу, вона має потенційну енергію в енергії, можливої, якщо вона впаде зі столу. Потенційна енергія може трансформуватися в кінетичну, якщо і коли куля насправді скочується зі столу і знаходиться в русі. Загальна енергія системи визначається як сума кінетичної та потенційної енергій.