Енергетика та термодинаміка

Як ми вимірюємо енергію?

Нижче наведена діаграма, що підсумовує деякі енергетичні одиниці (джоулі, електронні вольти, калорії, БТЕ) та інші, тісно пов’язані з енергією.

Хімічна термодинаміка - це зв’язок між змінами енергії та хімічними речовинами. Енергія приймає різні форми, включаючи тепло, світло, працю, кінетичну енергію, потенційну енергію. Енергія може зберігатися в хімічних зв’язках.

Перший закон

Енергія зберігається. За звичайних обставин загальна кількість енергії постійна. Оскільки існує так багато різних форм енергії, важко виміряти загальну енергію в системі, але ми можемо виміряти зміни енергії.

E = Efinal - Einitial

Зверніть увагу, що зміна енергії є позитивною, коли кінцевий стан має більше енергії, ніж початковий. Енергію можна збільшити, додаючи теплову енергію (q) або виконуючи роботу (w) в системі.

E = q + w

Коли до системи додається тепло, вона має позитивний знак, і ми називаємо зміни ендотермічними. Коли його вивільняє система, він має негативний знак, і ми називаємо його екзотермічним. (Та сама конвенція щодо знаків стосується і роботи.)

Температура

Теплоємність

Теплоємність (С) вимірює енергію, що зберігається в речовині в міру підвищення її температури.

Питома теплоємність визначається як кількість теплової енергії, необхідної для підвищення температури речовини на 1 град Цельсія.

q = m x C x T

Що таке робота? (Ні, вивчення хімії - це весело!)

робота = сила х відстань

Коли ми обговорюємо роботу над газами, ми співвідносимо роботу з тиском (P) та об'ємом (V).

w = -PV

Ентальпія

Для процесів з постійним тиском ми можемо пов’язати зміну тепла з ентальпією (H). З рівняння нижче видно, що зміна енергії така ж, як і зміна ентальпії, коли і тиск, і об’єм постійні. Це випадок (або досить близький до нього) більшість реакцій у конденсованих фазах.

qp = E + PV = H

Зміни ентальпії супроводжують зміни стану, наприклад:

H2O (g) H2O (l) --------- H = -44 кДж/моль

Зміна ентальпії реакції (Hrxn) - це різниця між ентапіями утворення продуктів і реагентів.

Hrxn = Hproducts - Hreactants

Коли реакція проводиться у вигляді послідовності етапів, Hrxn для загальної реакції буде сумою окремих Hrxn для кожного етапу.

Енергія зв'язку

Спосіб апроксимуючий ентальпія реакції горіння полягає у розгляді зв’язків, які розриваються і утворюються, коли реагенти утворюють продукти. Для цього ми використовуємо середні енергії зв'язку. Одиниці виміру - кДж/моль.