Внутрішня енергія системи
Система, видно ззовні
Матеріальна система (наприклад, рухома канатна дорога) може мати кінетичну енергію (наприклад, через її швидкість) та потенційну енергію (наприклад, через її висоту, напругу кабелю або заряд акумулятора). Однак у хімії нас цікавлять системи, які складаються з великої кількості речовин усередині контейнера, в якому вони реагують. Глобальні фактори, такі як швидкість переміщення контейнера або висота, на якій він знаходиться, не зацікавлені в характеристиці цих хімічних систем.
Система зсередини
Система складається із 2 молей $ H_2 $ та 1 моль $ O_2 $ у стандартних умовах. У зовнішньому середовищі в цьому стані можна зробити набагато більше роботи, ніж у стані, в якому воно перетворилося на два моли води. (Доказ: водневий двигун!). Тому повинні існувати фактори, що визначають внутрішню енергію системи.
Внутрішня енергія $ U $
Внутрішня енергія $ U $ хімічної системи в певний момент часу визначається - кінетичною енергією всіх хімічних видів, молекул, атомів або іонів, що складають цю систему, - потенційною енергією, що міститься в хімічних зв'язках. Подумайте про ці зв’язки як про пружини, в деяких випадках більш „напружені”, ніж в інших, отже, більш енергійні!
Рух молекул води
Занадто складно оцінити внутрішню енергію U, розглядаючи індивідуально рухи та взаємодії великої кількості видів, що складають хімічні системи! Однак у принципі внутрішню енергію U слід розраховувати за параметрами стану $ P, V, T $ і $ n_i $. (Кажуть, що U - це функція стану). Оскільки цей розрахунок також виявився занадто складним у багатьох конкретних випадках, досить досліджено, як змінюється U, коли система переходить з одного стану в інший. Дійсно, кожна повна хімічна реакція може розглядатися як перехід від системи з початкового стану (реагенти) до кінцевого стану (продукти).
Перший принцип термодинаміки
Фізика вчить нас, що тепло і робота - це дві «рівноцінні» форми енергії, тобто їх можна взаємно перетворити. Тому вони виражаються в одній одиниці: $ 1 \; Джоуль $ ($ J $) = $ 1 \; Ньютон \ cdot метр $ ($ Nm $)
Енергія повинна зберігатися в усьому світі
Зміни у внутрішній енергії системи
Давайте застосуємо цей фундаментальний закон до хімічних систем: коли система отримує енергію (тобто коли її внутрішня енергія збільшується), ця енергія повинна надходити із зовнішнього середовища у вигляді тепла та/або роботи. Вказавши $ Q $ і $ W $ для тепла та роботи, яку отримала система, ми маємо:
Пам'ятайте, що $ \ Delta U $ означає $ U_ $ $ - $ $ $ U_, тому це внутрішній приріст енергії. (Якщо $ \ Delta U \ lt 0 $, тобто нерівність означає, що внутрішня енергія зменшується, ця втрачена енергія повинна знаходитися у зовнішньому середовищі у вигляді тепла та/або роботи).
Оскільки тепло і робота, що обмінюються з навколишнім середовищем за допомогою хімічної системи, легко виміряти, ми можемо експериментально визначити зміну внутрішньої енергії під час хімічного перетворення!
Робота, якою обмінюється система
Робота, якою обмінюються хімічна система та зовнішнє середовище, в більшості випадків походить лише від коливань обсягу. У двигуні внутрішнього згоряння автомобіля вибух газу (= система) забезпечує роботу поршня і рухає транспортний засіб вперед (= зовнішнє середовище).
Робота, отримана системою: $ W $ $ = $ $ -P \ cdot \ Delta V $
Тепло, яке обмінюється системою
Вимірювання кількості теплообміну з зовнішнім середовищем проводять в калориметрі:
S: Система, яка утворена реагуючими хімічними речовинами та їх продуктами E: Вода є частиною зовнішнього середовища, вона отримує кількість тепла (в джоулях), рівне $ 4184 \ cdot m \ cdot (\ theta_f $ $ - $ $ \ theta_i) $ де $ 4184 \ frac $ - питома теплоємність води (= кількість джоулів, необхідна для підвищення температури одного кілограма води на $ 1 \; K $) $ m $ - маса води (у кілограмах), $ \ theta_i $ - температура на початку реакції, а $ \ theta_f $ - температура в кінці реакції (див. фізику) C: Калориметр є частиною зовнішнього середовища, він отримує кількість тепла (в джоулях), рівне $ C \ cdot (\ theta_f $ $ - $ $ \ theta_i) $ де $ C $ - це його теплоємність (у джоулях на $ ^ oC $).
Тепло, отримане системою: $ Q $ $ = $ $ -4184 \ cdot m \ cdot (\ theta_f $ $ - $ $ \ theta_i) $ $ - $ C $ \ cdot (\ theta_f $ $ - $ $ \ theta_i) $ де: $ Q $ (у джоулях) - це кількість теплоти, яку отримує система, $ m $ (у кілограмах) - маса води, $ C $ (у джоулях на градус) - теплоємність калориметра. $ \ theta_i, \ theta_f $ - кінцева температура початку і кінця,
0,625 дол. США; g $ Формальдегід ($ H_2CO $) спалюють у відкритому калориметрі, наприклад: $ H_2CO $ $ + $ $ O_2 $ $ \ longrightarrow $ $ CO_2 $ $ + $ $ H_2O $ Температура водяної бані ($ 150 г \; H_20 $) збільшується з $ 24,0 ^ oC $ до $ 39,2 \; ^ oC $. Теплоємність калориметра становить $ 150 \ frac $: $ Q $ $ $ $ = -4184 \ cdot 0,150 \ cdot 15,2 $ $ - $ 150 $ \ cdot 15,2 $ $ \ приблизно $ $ -11820 J $
Калорії та джоулі
Калорія є старою одиницею кількості тепла.
Калорія ($ 1 \; кал.) - це кількість тепла, необхідна для підвищення температури 1 граму води на один градус
Якщо ми покладемо в рівняння (2) і залишимо другий доданок осторонь, то отримаємо: $ 1 cal $ $ = $ 4184 \ cdot 0,001 \ cdot 1 $ $ = $ 4,184 J $
$ 1 \; cal $ $ = $ 4,184 \; J $ $ 1 \; Джоуль $ $ = $ 0,239 $; cal $
Хіміки (як і раніше) часто віддають перевагу калоріям за одиницю тепла і граму за одиницю маси. Рівняння (3) у цьому випадку стає:
Тепло, отримане від системи: $ Q $ $ = $ $ - 1 \ cdot m \ cdot (\ theta_f $ $ - $ $ \ theta_i) $ $ - $ $ C \ cdot (\ theta_f $ $ - $ $ \ theta_i) $ де: $ 1 \ frac $ - питома теплоємність води, $ Q $ виражається в $ cal $, $ m $ у $ g $ $ C $ у $ \ frac $
Визначення варіації внутрішньої енергії
Якщо ми призведемо до скасування замовлення $ W $, отриманого системою в рівнянні (2), то з цього випливає: $ \ Delta U $ $ = $ $ Q $, внутрішня варіація енергії буде просто теплою, яку ця Система отримана калориметрією! Крім того, щоб уникнути зміни обсягу, який несе виключну відповідальність за обмін роботою через систему в хімії, це називається робота з постійним обсягом у герметично закритому калориметрі ("= калориметрична бомба")
У закритому калориметрі (з постійним обсягом): Змінення внутрішньої енергії системи: $ \ Delta U $ $ = $ $ Q $ = тепло, отримане системою