TERMODYNAMIKA I TERMOCHEMIA

Transkrypt

1 TERMODYNAMIKA I TERMOCHEMIA Termodynamika - opisuje zmiany energii towarzyszące przemianom chemicznym; dział fizyki zajmujący się zjawiskami cieplnymi. Termochemia - dział chemii zajmujący się efektami cieplnymi, które towarzyszą reakcjom chemicznym i innym procesom fizykochemicznym. Układ - rozpatrywana część świata fizycznego, zespół obiektów, które mogą przekazywać sobie nawzajem energię. Układ Otoczenie -? E= E k + E p + U przedmiot badań mechaniki obiekt zainteresowań termodynamiki E-całkowita energia układu E k - energia kinetyczna E p - energia potencjalna U - energia wewnętrzna układu energia translacyjna i rotacji energia oscylacyjna i elektronowa energia oddziaływań międzymolekularnych energia jądrowa nieznany rodzaj energii???

2 Funkcje termodynamiczne - parametry układu posiadające określoną wartość* dla danego stanu układu, niezależnie od drogi na jakiej dany stan układu został osiągnięty. * energia wewnętrzna układu (U); entalpia (H); entropia (S); energia swobodna potencjał termodynamiczny potencjał Gibbsa (G) Np. 1 mol gazu (N 2 ) (V = const) stan I: T = 273 K stan II: T = 546 K p = 1 atm. p = 2 atm. Funkcje termod. (U, H, S, G) zmieniają się przy przejściu od stanu I do II o wartość, która nie zależy od tego czy gaz będzie: 1) ogrzany a potem sprężony lub 2) sprężony a potem ogrzany Przemiana (proces): izotermiczna, izobaryczna, izochoryczna T = const p = const V = const adiabatyczna - proces podczas, którego nie zachodzi wymiana ciepła z otoczeniem (układ izolowany). Każdej reakcji chemicznej towarzyszy przepływ energii na sposób ciepła między układem a otoczeniem. Podczas niektórych reakcji układ wymienia energię z otoczeniem na sposób pracy. układ wykonał pracę na otoczeniu W otoczenie wykonało pracę na układzie + W

3 Praca - sposób przekazywania energii miedzy układem i otoczeniem (nie jest formą energii!) W = F s W = q ΔE W = p ΔV (siła x droga) (ładunek x zmiana potencjału) (ciśnienie x zmiana objętości) Ciepło-wielkość fizyczna charakteryzująca sposób przekazywania energii między układem i otoczeniem za pośrednictwem nieuporządkowanych zderzeń między cząsteczkami układu i otoczenia oraz przez promieniowanie. Energia wewnętrzna układu (U) - całkowity zasób energii układu, łącznie z energią ruchów translacyjnych, oscylacyjnych i rotacyjnych cząsteczek, stanów elektronowych, energią jąder atomowych i innymi postaciami energii, jednak bez energii kinetycznej ruchu makroskopowego (E k ) i energii potencjalnej położenia układu jako całości (E p ). PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI (H. Helmholtz, 1847 r.) ΔU = Q + W zmiana energii wewnętrznej układu ΔU równa się sumie ciepła Q i pracy W wymienionej przez układ z otoczeniem (zasada ta wyklucza możliwość wykonania pracy bez nakładu energii, a więc zbudowanie perpetuum mobile pierwszego rodzaju) Warunki standardowe w termodynamice: T = 298,15 K (25 o C) p = Pa = 1013,25 hpa = 1 atm. = 760 mmhg oznaczenia funkcji termodynamicznych dla warunków standardowych: ΔG o ΔH o ΔS o [Uwaga! Nie mylić z warunkami normalnymi: T = 273,15 K (0 o C), p = Pa]

4 CIEPŁO REAKCJI CHEMICZNEJ Ciepło reakcji (Q) - to ciepło wymienione między układem reagentów a otoczeniem Ciepło reakcji pod stałym ciśnieniem jest nazywane zmianą entalpii reakcji (ΔH) lub entalpią reakcji (H), więc: ΔU = ΔH + p ΔV (I zas. termodynamiki) reakcje egzotermiczne - reakcje chemiczne przebiegające Q > 0 ΔH < 0 z wydzieleniem ciepła z układu Np. 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (g) + Q Q = 485 kj ΔH = 485 kj * reakcje endotermiczne - reakcje chemiczne przebiegające Q < 0 ΔH > 0 z pochłonięciem ciepła z otoczenia Np. N 2(g) + O 2(g) 2 NO (g) Q Q = 180 kj ΔH = 180 kj * * dla entalpii znakowanie musi być zgodne z konwencją termodynamiczną Molowe ciepło przemiany ilość energii potrzebna do przeprowadzenia 1 mola substancji z jednej fazy w drugą Przemiana fazowa to przemiana termodynamiczna polegająca na zanikaniu (stopniowym lub nagłym) jednej fazy i pojawieniu się na jej miejsce innej. Do podstawowych przemian fazowych należą: - topnienie - parowanie - krzepnięcie - skraplanie - sublimacja - desublimacja Przemianami fazowymi są też: rozpuszczanie i krystalizacja Sublimacja - przemiana fazowa polegająca na bezpośrednim przejściu substancji z fazy stałej do gazowej (bez stopienia). Temperatura sublimacji musi być niższa od temperatury topnienia. Substancjami, które łatwo sublimują, są np.: suchy lód (stały CO 2 ), sublimat (HgCl 2 ), jod, kwas benzoesowy.

5 Prawo Lavoisiera-Laplace a (1780 r.) /efekt cieplny reakcji przebiegającej w jednym kierunku jest równy efektowi cieplnemu reakcji odwrotnej z przeciwnym znakiem/ ΔH r. prostej = ΔH r. odwrotnej Np. 2H 2(g) + O 2(g) 2H 2 O (g) + Q Q = 485 kj ΔH = 485 kj 2H 2 O (g) 2H 2(g) + O 2(g) Q Q = 485 kj ΔH = 485 kj Prawo Hessa (1840 r.) /efekt cieplny reakcji (czyli Q lub ΔH) w warunkach izotermiczno- -izochorycznych lub izotermiczno-izobarycznych nie zależy od drogi po której jest realizowana dana przemiana, a jedynie od jej stanu początkowego i końcowego/ ΔH = ΔH 1 + ΔH 2 Np. C+½O 2 CO ΔH = 110,5 kj CO + ½ O 2 CO 2 ΔH = 283 kj C + O 2 CO 2 ΔH =? Procesy odwracalne i nieodwracalne proces odwracalny - proces zachodzący nieskończenie powoli, przez wiele następujących po sobie, blisko siebie położonych stanów równowagi proces nieodwracalny - proces przebiegający samorzutnie; procesy rzeczywiste przebiegają w sposób nieodwracalny /do procesów nieodwracalnych należą zjawiska transportu w gazach i cieczach, np. dyfuzja; przepływ lepki; przewodzenie ciepła; endotermiczne rozprężanie gazów, np. powietrza; endotermiczne rozpuszczanie niektórych substancji stałych, np. KNO 3 / Entropia - funkcja stanu określająca kierunek przebiegu procesów samorzutnych w układzie izolowanym; (entropia jest miarą stopnia nieuporządkowania układu, miarą swobody cząsteczek w układzie, ΔS = S k -S p ) dla procesów odwracalnych: ΔS = Q T dla procesów nieodwracalnych: ΔS > Q T Q - ciepło wymieniane z otoczeniem T - temperatura

6 DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI w układzie mogą zachodzić samorzutnie tylko takie przemiany, które spełniają warunek: ΔS Q T (zasada ta wyklucza możliwość zamiany ciepła na pracę bez istnienia różnicy temperatur, tzn. stwierdza niemożliwość zbudowania perpetuum mobile drugiego rodzaju) W przyrodzie przebiegają samorzutnie te procesy, którym towarzyszy wzrost entropii TRZECIA ZASADA TERMODYNAMIKI w temperaturze zera bezwzględnego (0 K) entropia wszystkich doskonałych substancji krystalicznych jest równa zeru Dlaczego gaz nie kurczy się samorzutnie? Dlaczego woda nie zamarza powyżej temp. top.? Dlaczego lód topi się a nie ogrzewa? Dlaczego ciepło nie przepływa od układu o niższej temperaturze do układu o wyższej? POTENCJAŁ TERMODYNAMICZNY /funkcja obejmującą w sposób jednoznaczny i ogólny każdy proces, uwzględnia stronę energetyczną i entropową/ (energia Gibbsa, potencjał Gibbsa, energia swobodna) Układ stara się zaspokoić dwie przeciwstawne tendencje: minimum energii, tj. maksimum stabilności maksimum entropii, tj. maksimum swobody ΔG = ΔH T. ΔS ΔG o = ΔH o T. ΔS o