chemia wykład 2

(1)

chemia wykład 2

Termodynamika zajmuje się badaniem efektów energetycznych towarzyszących procesom fizykochemicznym i chemicznym.

Termodynamika umożliwia:

1. Sporządzanie bilansów energetycznych dla reakcji chemicznych i przemian fizykochemicznych

2. Badanie równowag fazowych i chemicznych

3. Teoretyczne i doświadczalnej określanie warunków w jakich dany proces może zachodzić

4. Określanie warunków trwałości substancji

Fizyka Termodynamika Chemia

reakcje chemiczne

(2)

ENERGIA JEST ZDOLNOŚCIĄ WYKONANIA PRACY

h

T₁>T₂

gaz

(3)

ENERGIA NIE MOŻE BYĆ TWORZONA ANI NIE MOŻE ULEC ZNISZCZENIU

PRAWO ZACHOWANIA ENERGII

Prawo zachowania energii ma fundamentalne znaczenie dla chemii gdyż większość reakcji chemicznych towarzyszy wydzielanie lub obieranie energii, przemiana jednej formy energii w inną, a nie jej

zanik lub powstawanie.

Procesy dzielimy na egzotermiczne i endotermiczne.

(4)

 Układ- część przyrody, której zachowanie badamy

 Otoczenie-część przyrody, w której dokonujemy obserwacji

układ

otoczenie

(5)

 Układ otwarty - układ wymieniający z otoczeniem materię i energię

 Układ zamknięty - układ nie wymieniający z otoczeniem materii

 Układ izolowany - układ nie wymieniający z otoczeniem materii i energii

(6)

Układ izolowany termiczne od otoczenia nazywamy układem adiabatycznym

Najczęściej rozpatruje się układy zamknięte i izolowane

(7)

 Energię układu zamkniętego można zmienić jedynie na dwa sposoby, na sposób pracy i ciepła.

 Praca ….

 Ciepło….

(8)

PRACA CIEPŁO

układ układ

energia jako praca energia jako ciepło

Która z form energii została chronologicznie opanowana wcześniej?

(9)

 Energię układu zamkniętego można zmienić jedynie na dwa sposoby, na sposób pracy i ciepła.

 Praca przedstawia przeniesienie energii powodujące jednolity ruch w otoczeniu bądź będące skutkiem takiego ruchu.

 Ciepło przedstawia przeniesienie energii powodujące chaotyczny ruch w otoczeniu bądź będące skutkiem takiego ruchu.

(10)

 Praca rozprężania inaczej praca objętościowa, czyli praca wykonana gdy układ rozpręża się przeciwko działającemu nań ciśnieniu.

h

DV=Ah

(11)

 𝑤 = 𝑝_𝑧 ∗ ∆𝑉 praca w przeciwko stałemu ciśnieniu zewnętrznemu

 𝑤 _𝑚𝑎𝑥 = 𝑛𝑅𝑇𝑙𝑛 ^𝑉^𝑘

𝑉_𝑝 praca maksymalna

1. układ wykonuje maksymalna pracę objętościową, gdy ciśnienie zewnętrzne jest równe ciśnieniu panującemu

w układzie

2. układ wykonuje maksymalna pracę objętościową, gdy znajduje się w stanie mechanicznej równowagi ze swym otoczeniem

(nieskończenie mała zmiana ciśnienia może spowodować odwrócenie kierunku procesu)

3. układ wykonuje maksymalna pracę objętościową, gdy zmienia się w sposób odwracalny (proces, którego kierunek można

odwrócić, zmieniając jakąś wielkość)

(12)

𝑤 _𝑚𝑎𝑥 = 𝑛𝑅𝑇𝑙𝑛 𝑉_𝑘 𝑉_𝑝

𝑤 = 𝑝 𝑑𝑉 = 𝑛𝑅𝑇

𝑉 𝑑𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 𝑑𝑉

𝑉 = 𝑛𝑅𝑇

𝑉_𝑘 𝑉_𝑝 𝑉_𝑘

𝑉_𝑝 𝑉_𝑘

𝑉_𝑝

𝑙𝑛 𝑉_𝑘 𝑉_𝑝

(13)

 Wielkością umożliwiającą śledzenie zmian energii układu jest energia wewnętrzna

 Praca wykonana przez układ (-)

 Praca wykonana na układzie (+)

 Ciepło oddane przez układ (-)

 Ciepło przekazana do układu (+) DU DU=q+w

 𝑤 = −𝑝_𝑧 ∗ ∆𝑉 praca przeciwko stałemu ciśnieniu zewnętrznemu

 𝑤 _𝑚𝑎𝑥 = −𝑛𝑅𝑇𝑙𝑛 ^𝑉^𝑘

𝑉_𝑝 praca maksymalna

(14)

 DU-funkcja stanu

 I-sza zasada termodynamiki

Zmiana energii wewnętrznej układu zamkniętego jest równa energii, która przepływa przez jego granice na sposób ciepła lub pracy

DU=q+w

V=const DU=q

(15)

 Pojemność cieplna

 Cv, Cp

Cp,m-Cv,m=R

Substancja Właściwa

pojemność cieplna [J/K g]

Molowa

pojemność cieplna J/K mol

Benzen 1,05 136,1

Powietrze 1,01 29

Etanol 2,42 111,5

Woda ciecz 4,18 75,29

(16)

 ENTALPIA p=const

DH=q

Reakcja egzotermiczna DH<0 Reakcja endotermiczna DH>0

DH=DU+pDV

(17)

 PRAWO HESSA

STANDARDOWA ENTALPIA REAKCJI JEST RÓWNA SUMIE STANDARDOWYCH ENTALPII REAKCJI, NA JAKIE MOŻNA ROZŁOŻYĆ DANĄ REAKCJĘ.

NaOH/H2O Stosowalność prawa Hessa Ćw. lab

(18)

 PRAWO KIRCHOFFA

∆𝑯

_𝑻𝟐

= ∆𝑯

_𝑻𝟏

+ ∆𝑪𝒑 𝒅𝑻

^𝑻𝟐

𝑻𝟏

(19)

STANDARDOWA ENTALPIA REAKCJI JEST RÓWNA RRÓZNICY STANDARDOWYCH ENTALPII TWORZENIA PRODUKTÓW I SUBSTRATÓW, W KTÓREJ KAŻDY CZYNNIK JEST POMNOŻONY PRZEZ WSPÓŁCZYNNIK STECHIOMETRYCZNY ODPOWIEDNIEGO REAGENTA

∆𝐻^⊝= 𝑛Δ_𝑡𝑤

𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘𝑡𝑦

𝐻^⊝ − 𝑛Δ_𝑡𝑤

𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑦

𝐻^⊝

Standardowa entalpia tworzenia substancji przedstawia standardową entalpię reakcji, w której 1 mol substancji tworzy się z pierwiastków w ich stanie podstawowym.

Standardowe entalpie tworzenia pierwiastków w ich stanach podstawowych są z definicji równe zeru.

(20)

Pierwiastek Stan podstawowy

Azot Gaz

Jod Stały

Rtęć Ciecz

Węgiel Grafit

Siarka Siarka rombowa

Związek ∆_𝑡𝑤H^ [kJ/mol]

Dwutlenek siarki -296,83

Kwas siarkowy -813,99

Benzen (c) +49

Glukoza -1268

Metanol -238,86

Sacharoza -2222

(21)

Procesy samorzutne – wykazują naturalna

tendencję do zachodzenia

Procesy niesamorzutne – nie wykazują naturalnej tendencji do

zachodzenia, a by wymusić proces niesamorzutny

trzeba wykonać nad układem pracę

(22)

Siłą napędową procesów samorzutnych jest

tendencja energii i materii do zwiększania stanu nieuporządkowania

niesamorzutnie samorzutnie

(23)

 Stosowaną w termodynamice miarą

nieuporządkowania materii i energii jest ENTROPIA oznaczana symbolem S

 II-ga zasada termodynamiki

Entropia wszechświata ma tendencję do zwiększania się

(24)

Organizm człowieka pozostającego w spoczynku wytwarza około 100 W ciepła. Określ zmianę entropii otoczenia o temp. 20st C wywołaną w ciągu doby przez spoczywającego człowieka.

ciepło dostarczone otoczeniu w ciągu doby wynosi:

q = 86 400 s x 100 J/s = 8,64 x10 ⁶[J]

zmiana entropii otoczenia wynosi więc

DS (ot) = 8,64 x10 ⁶[J] / 293 K = +2,95x10 ⁴[J/K]