Внатрешната енергија на системот
Системот гледан однадвор
Материјален систем (на пример, жичарница во движење) може да има кинетичка енергија (на пр. Поради нејзината брзина) и потенцијална енергија (на пр. Поради нејзината висина или напон на кабелот или полнењето на батеријата) Во хемијата, сепак, нè интересираат системи кои се состојат од многу супстанции во садот во кој тие реагираат. Глобалните фактори, како што се брзината со која се движи контејнерот или висината на која се наоѓа, немаат интерес да ги карактеризираат овие хемиски системи.
Системот одвнатре
Системот се состои од 2 молови $ H_2 $ и 1 молови $ O_2 $ во стандардни услови. Многу повеќе работа може да се направи во надворешното опкружување во оваа состојба отколку во состојбата во која се претвори во два мола вода. (Доказот: водороден мотор!). Затоа мора да има фактори кои ја одредуваат внатрешната енергија на системот.
Внатрешната енергија $ U $
Внатрешната енергија $ U $ од хемискиот систем во одреден момент се одредува според - кинетичката енергија на сите хемиски видови, молекули, атоми или јони кои го сочинуваат овој систем - потенцијалната енергија содржана во хемиските врски. Помислете на овие врски како извори, во некои случаи повеќе „напнати“ отколку во други, т.е поенергични!
Движење на молекулите на водата
Премногу е тешко да се процени внатрешната енергија U, со оглед на индивидуално движењата и интеракциите на големиот број видови кои ги сочинуваат хемиските системи! Во принцип, сепак, внатрешната енергија U мора да може да се пресмета од параметрите на државата $ P, V, T $ и $ n_i $. (Се вели дека У е државна функција). Бидејќи оваа пресметка исто така се покажа како премногу комплицирана во многу конкретни случаи, повеќе се испитува како U се менува кога системот се менува од една во друга состојба. Навистина, секоја комплетна хемиска реакција може да се гледа како премин од систем од почетна состојба (реагенси) во крајна состојба (производите).
Првиот принцип на термодинамика
Физиката нè учи дека топлината и работата се две „еквивалентни“ форми на енергија, односно можат меѓусебно да се конвертираат. Затоа тие се изразени во иста единица: $ 1 \; Jул $ ($ J $) = $ 1 \; Erутн/cdot метар $ ($ Nm $)
Енергијата мора да се зачува на глобално ниво
Промени во внатрешната енергија на системот
Дозволете ни да го примениме овој фундаментален закон за хемиски системи: Кога системот добива енергија (т.е. кога неговата внатрешна енергија се зголемува), оваа енергија мора да доаѓа од надворешната средина во форма на топлина и/или работа. Со специфицирање на $ Q $ и $ W $ за топлината и работата што ги доби системот, имаме:
Запомнете дека $ \ Delta U $ значи $ U_ $ $ - $ $ $ U_ така што тоа е внатрешна добивка на енергија. (Ако $ \ Делта U \ lt 0 $, т.е. нееднаквоста значи дека внатрешната енергија се намалува, оваа изгубена енергија мора да се најде во надворешното опкружување во форма на топлина и/или работа).
Бидејќи топлината и работата што се разменуваат со околината преку хемиски систем се лесни за мерење, можеме експериментално да ја утврдиме промената на внатрешната енергија за време на хемиска трансформација!
Работата што ја разменува системот
Работата што се разменува помеѓу хемиски систем и надворешното опкружување, во повеќето случаи доаѓа само од флуктуации на волуменот. Во моторот со внатрешно согорување на автомобил, експлозијата на гас (= системот) обезбедува работа на клипот и го придвижува возилото напред (= надворешната средина).
Работа примена од системот: $ W $ $ = $ $ -P \ cdot \ Делта V $
Топлината што ја разменува системот
Мерењето на количината на размена на топлина со надворешната средина се врши во калориметарот:
S: Системот што е формиран од реагирачките хемиски видови и нивните производи Е: Водата е дел од надворешното опкружување, добива количина на топлина (во џули) еднаква на 4184 $ $/cdot m \ cdot (\ theta_f $ $ - $ $ \) theta_i) $ каде што $ 4184 \ frac $ е специфичен топлински капацитет на водата (= број на џули потребни за зголемување на температурата на еден килограм вода за $ 1 \; K $) $ m $ е масата на водата (во килограми), $ \ theta_i $ е температурата на почетокот на реакцијата и $ \ theta_f $ е температурата на крајот на реакцијата (види физика) В: Калориметарот е дел од надворешната средина, добива количина на топлина (во џули) еднаква на $ C \ cdot (\ theta_f $ $ - $ $ \ theta_i) $ каде $ C $ е нејзиниот топлински капацитет (во џули на $ ^ oC $).
Топлина примена од системот: $ Q $ $ = $ $ -4184 \ cdot m \ cdot (\ theta_f $ $ - $ $ \ theta_i) $ $ - $ C $ \ cdot (\ theta_f $ $ - $ $ \ theta_i) $ каде што: $ Q $ (во џули) е количината на топлина примена од системот, $ m $ (во килограми) е масата на водата, $ C $ (во џули по степен) е топлинскиот капацитет на калориметарот. $ \ theta_i, \ theta_f $ се последните температури за почеток и крај,
0,625 долари \; g $ Формалдехид ($ H_2CO $) се согорува во отворен калориметар, на пример: $ H_2CO $ $ + $ $ O_2 $ $ \ долг прст $ $ CO_2 $ $ + $ $ H_2O $ Температура на водена бања ($ 150 g \; H_20 $) се зголемува од $ 24.0 ^ oC $ на $ 39.2 \; ^ oC $. Топлинскиот капацитет на калориметарот е 150 $ = фракција $: $ Q $ $ $ = -4184 \ cdot 0,150 \ cdot 15,2 $ - $ 150 $ \ cdot 15,2 $ $ \ приближно $ -11820 J $
Калории и џули
Калоријата е стара единица за количината на топлина.
Една калорија ($ 1 \; кал. $) Е количина на топлина потребна за зголемување на температурата од 1 грам вода за еден степен
Ако влеземе во равенка (2) и го оставиме вториот термин настрана, наоѓаме: $ 1 кал. $ = 4184 $ $ \ пати 0,001 \ пати 1 $ $ = $ 4,184 $ J $
$ 1 \; кал $ $ = 4,184 $ $ \; J $ 1 $; Ouул $ $ = 0,239 $ $; кал. $
Хемичарите (сепак) често преферираат калории за единицата на топлина и грам за единицата на масата. Равенката (3) во овој случај станува:
Топлина примена од системот: $ Q $ $ = $ $ - 1 \ cdot m \ cdot (\ theta_f $ $ - $ $ \ theta_i) $ $ - $ $ C \ cdot (\ theta_f $ $ - $ $ \ theta_i) $ каде што: $ 1 \ frac $ е специфичен топлински капацитет на вода, $ Q $ се изразува во $ cal $, $ m $ во $ g $ $ C $ во $ \ frac $
Одредување на варијацијата во внатрешната енергија
Ако предизвикаме нарачката $ W $ добиена од системот во равенката (2) да се откаже, тогаш следува: $ \ Делта У $ $ = $ $ Q $, внатрешната варијација на енергија едноставно ќе биде топлината што оваа Систем добиен со калориметрија! Покрај тоа, за да се избегнат промените на волуменот, кои се единствени одговорни за разменетата работа преку системот во хемијата, се нарекува работа со постојан волумен во херметички затворен калориметар ("= калориметарска бомба")
Во затворен калориметар (со постојан волумен): Варијација на внатрешната енергија на системот: $ \ Делта У $ $ = $ $ Q $ = топлина примена од системот