Вътрешната енергия на системата
Системата, гледана отвън
Материална система (напр. Движеща се въжена линия) може да има кинетична енергия (напр. Поради скоростта си) и потенциална енергия (напр. Поради височината или напрежението на кабела или заряда на батерия). В химията обаче се интересуваме от системи, се състоят от много вещества в контейнера, в които те реагират. Глобалните фактори като скоростта, с която се движи контейнерът или надморската височина, на която се намира, нямат интерес да характеризират тези химически системи.
Системата отвътре
Системата се състои от 2 мола $ H_2 $ и 1 мол $ O_2 $ при стандартни условия. В тази държава може да се свърши много повече работа във външната среда, отколкото в състоянието, в което тя се е превърнала в два мола вода. (Доказателството: водороден двигател!). Следователно трябва да има фактори, които определят вътрешната енергия на системата.
Вътрешната енергия $ U $
Вътрешната енергия $ U $ на химическа система в определен момент от време се определя от - кинетичната енергия на всички химически видове, молекули, атоми или йони, които изграждат тази система - от потенциалната енергия, съдържаща се в химичните връзки. Мислете за тези връзки като за пружини, в някои случаи по-"напрегнати", отколкото в други, т.е. по-енергични!
Движение на водни молекули
Твърде трудно е да се оцени вътрешната енергия U, като се разглеждат индивидуално движенията и взаимодействията на големия брой видове, съставляващи химичните системи! По принцип обаче вътрешната енергия U трябва да може да се изчислява от параметрите на състоянието $ P, V, T $ и $ n_i $. (Казва се, че U е държавна функция). Тъй като това изчисление се оказа твърде сложно в много конкретни случаи, по-скоро се изследва как U се променя, когато системата се променя от едно състояние в друго. Всъщност всяка пълна химическа реакция може да се разглежда като преход от система от начално състояние (реагенти) към крайно състояние (продуктите).
Първият принцип на термодинамиката
Физиката ни учи, че топлината и работата са две „еквивалентни“ форми на енергия, тоест те могат да бъдат взаимно преобразувани. Следователно те се изразяват в една и съща единица: $ 1 \; Джаул $ ($ J $) = $ 1 \; Нютон \ cdot метър $ ($ Nm $)
Енергията трябва да бъде запазена в световен мащаб
Промени във вътрешната енергия на системата
Нека приложим този основен закон към химическите системи: Когато една система печели енергия (т.е. когато нейната вътрешна енергия се увеличава), тази енергия трябва да идва от външната среда под формата на топлина и/или работа. Като посочваме $ Q $ и $ W $ за топлината и работата, които системата е получила, имаме:
Не забравяйте, че $ \ Delta U $ означава $ U_ $ $ - $ $ $ U_, така че това е вътрешната енергийна печалба. (Ако $ \ Delta U \ lt 0 $, т.е. неравенството означава, че вътрешната енергия намалява, тази загубена енергия трябва да бъде намерена във външната среда под формата на топлина и/или работа).
Тъй като топлината и работата, обменяни с околната среда чрез химическа система, са лесни за измерване, можем експериментално да определим промяната във вътрешната енергия по време на химична трансформация!
Работата, която се обменя от система
Работата, която се обменя между химическа система и външната среда, в повечето случаи идва само от колебания в обема. В двигателя с вътрешно горене на автомобила експлозията на газ (= системата) предизвиква работа върху буталото и премества превозното средство напред (= външната среда).
Получена от системата работа: $ W $ $ = $ $ -P \ cdot \ Delta V $
Топлината, обменяна от система
Измерванията на количеството топлина, обменяна с външната среда, се извършват в калориметъра:
S: Системата, която се формира от реагиращите химически видове и техните продукти E: Водата е част от външната среда, тя получава количество топлина (в джаули), равно на $ 4184 \ cdot m \ cdot (\ theta_f $ $ - $ $ \ theta_i) $ където $ 4184 \ frac $ е специфичният топлинен капацитет на водата (= брой джаули, необходими за повишаване на температурата на един килограм вода с $ 1 \; K $) $ m $ е масата на водата (в килограми), $ \ theta_i $ е температурата в началото на реакцията и $ \ theta_f $ е температурата в края на реакцията (виж физиката) C: Калориметърът е част от външната среда, той получава количество топлина (в джаули), равно на $ C \ cdot (\ theta_f $ $ - $ $ \ theta_i) $ където $ C $ е топлинният му капацитет (в джаули на $ ^ oC $).
Топлина, получена от системата: $ Q $ $ = $ $ -4184 \ cdot m \ cdot (\ theta_f $ $ - $ $ \ theta_i) $ $ - $ C $ \ cdot (\ theta_f $ $ - $ $ \ theta_i) $ където: $ Q $ (в джаули) е количеството топлина, получено от системата, $ m $ (в килограми) е масата на водата, $ C $ (в джаули на градус) е топлинният капацитет на калориметъра. $ \ theta_i, \ theta_f $ са крайните начални и крайни температури,
0,625 $ \; g $ Формалдехид ($ H_2CO $) се изгарят в отворен калориметър, например: $ H_2CO $ $ + $ $ O_2 $ $ \ longrightarrow $ $ CO_2 $ $ + $ $ H_2O $ Температурата на водната баня ($ 150 g \; H_20 $) се увеличава от $ 24.0 ^ oC $ на $ 39.2 \; ^ oC $. Топлинният капацитет на калориметъра е $ 150 \ frac $: $ Q $ $ $ $ = -4184 \ cdot 0.150 \ cdot 15.2 $ $ - $ 150 $ \ cdot 15.2 $ $ \ приблизително $ $ -11820 J $
Калории и джаули
Калорията е стара единица за количеството топлина.
Калория ($ 1 \; cal $) е количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на 1 грам вода с един градус
Ако поставим в уравнение (2) и оставим втория член настрана, ще намерим: $ 1 cal $ $ = $ 4184 \ cdot 0,001 \ cdot 1 $ $ = $ 4,184 J $
$ 1 \; cal $ $ = $ 4,184 \; J $ $ 1 \; Джаул $ $ = $ $ 0,239 \; cal $
Химиците (все още) често предпочитат калории за единица топлина и грам за единица маса. Уравнение (3) в този случай става:
Получена топлина от системата: $ Q $ $ = $ $ - 1 \ cdot m \ cdot (\ theta_f $ $ - $ $ \ theta_i) $ $ - $ $ C \ cdot (\ theta_f $ $ - $ $ \ theta_i) $ където: $ 1 \ frac $ е специфичният топлинен капацитет на водата, $ Q $ се изразява в $ cal $, $ m $ в $ g $ $ C $ в $ \ frac $
Определяне на вариацията във вътрешната енергия
Ако накараме $ W $ поръчката, получена от системата в уравнение (2), да бъде отменена, тогава следва: $ \ Delta U $ $ = $ $ Q $, Вътрешното изменение на енергията просто ще бъде топлината, която причинява Система, получена чрез калориметрия! Освен това, за да се избегнат промени в обема, които са единствено отговорни за обменната работа чрез системата в химията, се нарича работа с постоянен обем в херметически затворен калориметър ("= калориметрова бомба")
В затворен калориметър (с постоянен обем): Изменение на вътрешната енергия на системата: $ \ Delta U $ $ = $ $ Q $ = топлина, получена от системата