(Microsoft PowerPoint - \344\370\366\340\ \362\341\345\343\344 \345\347\345\355.ppt)

תמליל

1 עבודה וחום כימיה פיסיקלית שעור מס' 4 עבודה וחום (Atkns 7-54 (קריאה מלווה מומלצת : ע"י ע.עבודה חום ע"י ע 2.אינטראקציות 4 דני פורת ד"ר el: e-mal: orath@chem.ch.huj.ac.l Oce: Los Angeles 027 ourse book: hyscal hemstry. Atkns & J. de aula (7 th ed) ourse ste: htt://chem.ch.huj.ac.l/surace-asscher/elad/danclass.html htt://chem.ch.huj.ac.l/~orath/hyscal_hemstry/. 4.שינוי 5 סילבוס קורס 2 תרמודינמיקה. הגזים א-תכונות ומנגנונים מושגים הראשון של התרמודינמיקה: החוק ב- ומנגנונים מושגים השני והשלישי: החוק ג- פזות ד-דיאגרמת משקל כימי ה-שיווי קינטיקה.2 ראקציות כימיות א-קצב וקטליזות ב-מנגנונים שעור מס' 4 עבודה וחום ( Atkns 7-54 (קריאה מלווה מומלצת: וחום עבודה ע"י ע עבודה א- כללי לעבודה ביטוי ( חופשית (2 כנגד לחץ ( הפיכה (4 הפיכה איזותרמית (5 חום ע"י ע אינטראקציות ב- קלורימטריה ( חום קיבול (2 ג- הגדרת ( השינוי ב מדידת (2 ב עם הטמפרטורה השינוי ( בין קיבולי חום היחס (4 שינוי ד- לשינוי העבודה ( ום קיבולי חום יחס (2. 6 שימור האנרגיה חוק והסביבה המערכת סיכום מושגים מבודדת סגורה, פתוחה, מערכות: סוגי חום םום עבודה, אנרגיה, אנדותרמי אקסותרמי,, איזותרמי, תהליכים: סימון:, w מוסכמות תרמית ותנועה מאורגנת תנועה בולצמן התפלגות פנימית וחוק החלוקה השווה אנרגיה מסלול ופונקצית מצב פונקצית התרמודינמיקה הראשון של החוק צורות רבות, לאנרגיה החוק הראשון סך האנרגיה קבוע אולם מופיעה בו היא האנרגיה נעלמת בצורה אחת, וכאשר בצורה אחרת זמנית איפיון במערכת מדויק יותר כאשר התהליכים אינפיניטסימליים: בשינויים עוסקים U w du d dw (חום םום חום) d להשתמש במשוואה זו יש לקשור את כדי או תהליכים בסביבה לאירועים עבודה) (עבודה ו- dw

2 עבודה על ידי הנובעת משינוי נפח האנרגיה דוחף" אתתתת ו"דוחף גז המגדיל את נפחו ו למשל האטמוספרה יכולה לנבוע כזו דחיסה) (או שתוצאתן יצירת גז או מבעירה מראקציות גז של צורות שונות של עבודה מוכללת" מוכלל" X "הזזה ""כחחחח מוכללת"" "עבודה אקסטנסיבי משתנה X אינטנסיבי משתנה דות יחי הערות d העבו דה סוג a, m החיצוני -הלחץ ex - ex הנפח -שינוי נפח Nm -, m 2 הפנים -מתח dσ השטח -שינוי dσ שטח N, m (כחחח))))ח -המתיחה l -ההתארכות -dl התארכות, החשמלי φ -הפוטנציאל המטען d -שינוי φd חשמלית 0 7 ביטוי כללי לעבודה על ידי : עבודה d Fdx Adx F Adx A d dx היא השטח הכלוא העבודה תלויה בתהליך העבודה הוא הלחץ החיצוני הלחץ 8 חופשית חופשית היא כאשר אין וקום) (כנגד 0 כחחחח d Fdx 0 נגדי על ידי : עבודה ביטוי כללי לעבודה כנגד לחץ קבוע (איזוברית) דחיסה פנימה: החוצה: ( ) gas 2 nr אםםם::::ם gas ext nr( ) אידיאלי בגז 9 2

3 (reversble reversble) התנהגות הפיכה הפיכות להניע תהליך קדימה ואחורה היכולת פעמים אינסופי ללא איבוד אנרגיה מספר בוקר מחליפים דולרים (מדי ) כספים: דוגמא-החלפת ובערב בחזרה לדולרים) לפאונדים (reversble reversble) התנהגות הפיכה הפיכות הוא שינוי הניתן הפיך תרמודינמי שינוי שינוי אינפיניטסימאלי של ע"י ע להיפוך המשתנה אם: הפיכה דחיסה) (או gas ex gas נמצאת בשיווי משקל עם סביבתה אם שינויים מערכת בתנאים בכוונים הפוכים גורמים אינפיניטסימאליים הפוכים במצב לשינויים מערכות בשיווי משקל תרמי שתי דוגמא: 6 הפיכות ואנרגיה המערכות (rreversblty) איייי-הפיכות בהעדר לעד יעבדו (eretuum moble) נצחית תנועה (reversble reversble) התנהגות הפיכה משקל תרמי שיווי משקל מכני שיווי 7 4 חיכוך, מקורות לאי-הפיכות חום... איבוד לחץ, איבוד מתח, מפלי (rreversble rreversble) התנהגות אי-הפיכה שאיננו הפיך) (שינוי איייי-הפיכות הפיכה: < gas אי-הפיכה אי ב ex gas הפיכה: > gas אי-הפיכה אי בדחיסה ex gas 8 5

4 22 איזותרמית אי-הפיכה מעבר חום ואנרגיה פנימית du d d ex d enson extra הנוספת משמשת העבודה זרם האצת נוספים" "לצרכים אזי: נוספים" "צרכים הנפח קבוע ואין אם d ex enson 0 d extra 0 du d ( U ) כמו איבוד) (או תוספת מדידת בנפח קבוע, כלומר נותנת את השינוי באנרגיה הפנימית החום 9 rreversble, e.g., ex ex ex const איזותרמית הפיכה פיסיקלי או כימי במערכת שינוי לשינוי טמפרטורה גורם כלל המדידה בכלי בנפח " ו" קבוע שינוי הטמפרטורה יחסי לשינוי לכן הפנימית האנרגיה חשמלי: במעגל קלורימטריה של מעבר חום תוך כדי תהליכים פיסיקליים או מדידה כימיים It חומר ידוע נקבל קבוע עבור הכיול ex reversble, an deal gas, gas nr nr nr ln const gas nr / nr ln 24 איזותרמית הפיכה 2 nr ln <0 ולכן זו < כאשר עבודה על הסביבה ולכן האנרגיה זוהי קטנה הפנימית יותר כך העבודה גבוהה ש ש- ככל יותר גדולה הפיכה כאשר: nr/ העבודה תוספת עבודה כי שוויון מתקבלת החיצוני בכל שלב מבטיח אי ללחץ עבודה איבוד העבודה המכסימלית שניתן לקבל זוהי מה קלורימטרים אחרים Adabatc bomb calormeter sys water bomb rxn sys 0 rxn - ( water bomb ) water ms t bomb bomb t Addtonal work to make the rocess reversble Irreversble const 4

5 28 תהליכים תרמודינמיים קבועה: טמפרטורה איזותרמי קבוע: נפח איזוכורי איזו קבוע: לחץ איזוברי מעבר חום: אין 25 0 ; d 0 ; d 0 0 > d 0 > U d > 0 ; d 0 איזו-כלום איזו אין הכללה: צורתי) (רב פוליטרופי קיבול חום בנפח קבוע הפנימית של חומר גדלה כאשר האנרגיה עולה הטמפרטורה (m (מסה לחימום חומרים שונים הדרוש החום מחומר לחומר שונה טמפרטורות נתון בהפרש m שינוי האנרגיה הפנימית עם שינוי הטמפרטורה קצב החום בנפח קבוע" "קיבול קבוע נקרא בנפח U r const אנרגיה פנימית U במולקולה דו-אטומית קיבול חום בנפח קבוע חופש: דרגות 8 טרנסלציה רוטציה ויברציה dy נגזרות חלקיות dz x y dx y x אםםםם דיפרנציאל שלם אזי: הוא Z(x,y) קיבול חום בנפח קבוע לשינוי גורם קבוע בנפח m חומר עם מסה חימום :U הפנימית באנרגיה U U U m dz dx dy

6 קיבול חום קיבול חום וחום סגולי מולריים 4 אטומי: מונו-אטומי מונו בגז J (Um(0 ) R ) R Kmol אטומי: פולי-אטומי פולי בגז Um Um(0 ) R 2,m ~25 J/Kmol,m 5 חום סגולי אקסטנסיבי) (אקסטנסיבי החום הוא ליחידת מסה קיבול החום הנדרשת להעלאת גרם חומר במעלה כמות אחת להשתמש בחום סגולי למדידת שינוי החום ניתן לאט עם הטמפרטורה): משתנה (אםםםם קבוע בנפח du d U הטמפ' רב דרוש כדי להעלות חימום גדול, כאשר עלייה בטמפרטורה אין אינסופי, כאשר החום מוקדש כל אינסופי, רתיחה), (רתיחה פזה במעבר נשמרת והטמפרטורה אנדותרמי פזה לשינוי הראשון החוק עבודת מוכללת עבודה חופשית בלחץ קבוע הפיכה אי הפיכה איזוטרמית מושגים פנימית אנרגיה קלורימטריה תרמודינמיים תהליכים חופש של אנרגיה דרגות במולקולה פנימית חום קיבול סגולי חום 2 חום סגולי הסגולי תלוי בטמפרטורה: החום (Enthaly) באנרגיה הפנימית שונה משינוי החום כאשר השינוי לא קבוע הנפח הנוסף למערכת מוחזר לסביבה מהחום חלק : ע"י ע כעבודה du < d 6 6

7 40 (Enthaly) היא: במערכת ה 7 H H U פונקציות מצב ולכן גם הן ו-,U מצב פונקצית היא ב שווה לשינוי החום השינוי קבוע בלחץ המערכת אינה מבצעת עבודה נוספת) (כאשר דוגמא: בריאקציה בטמפ' :(298 K (בטמפ הריאקציה עבור 2H2( g ) O 2( g ) 2H2O( l ) מים: מול גז מוחלפים ב ב- 2 מול n gas mol ה והאנרגיה הפנימית הוא: הפרש H U ( mol )xr 7.4kJ להפרש נובעת בעיקר משינוי הנפח מגז לנוזל התרומה dh d H (Enthaly) השינוי רק עבודת ה ולכן יש קבוע בלחץ המערכת אינה (כאשר שווה לשינוי החום ב עבודה נוספת): מבצעת H הסבר: קיבול החום בלחץ קבוע גדלה עם העלאת הטמפרטורה באופן ה קבוע או נפח קבוע) (לחץ בתנאים התלוי קצב השינוי של הוא החום בלחץ קבוע,, קיבול הטמפרטורה: עם החום) (החום ה 4 H,m H dh ( U du ) ( d )( ) U du d d זניח H dh du d d d 0 - קבוע בלחץ 8 אקסטנסיבית תכונה - אינטנסיבית תכונה - 42 בריאקציה גז אידיאלי: nr עבור H U U nr יש שבה בריאקציה בטמפרטורה קבועה, כלומר השינוי בעירה), (למשל בכמות הגז שינוי יהיה: ב H U n gas R מוצק או נוזל שינוי הנפח או כמות החומר זעיר עבור שינוי ה דומה לשינוי האנרגיה הפנימית ולכן 9 שינוי ושינוי טמפרטורה קטן בטמפרטורה בלחץ קבוע נותן: שינוי dh d H קבוע בלחץ לאט משתנה כאשר דרך פרקטית למדוד את קיבול החום של דגם: זוהי קבוע ובודקים את בלחץ ידוע, ) (חום דגם מחממים הטמפרטורה שינוי 7

8 46 היחס בין קיבולי החום המערכות מתפשטות עקב חימום ומבצעות עבודה רוב הסביבה ולכן חלק מהחום שסופק להן אובד על בתהליך חימום בלחץ קבוע טמפרטורת המערכת לפיכך פחות מאשר בתהליך חימום בנפח קבוע עולה החום בלחץ קבוע גבוה מאשר בנפח קיבול כלומר: קבוע: nr גז אידיאלי גדול ב ב- 8 של המולרי החום קיבול (~2 J/Kmol) קבוע מאשר בנפח קבוע בלחץ J/Kmol אטומי) מונו-אטומי מונו (בגז הפרש משמעותי כלומר העבודה הנעשית בתהליכים ים : U ad ולכן U,0 בתהליך U עבודת ה בתהליך כלומר הטמפרטורה לשינוי adabatc w יחסית 4 גז מתפשט באופן כאשר תהליכים ים, 44 שלו הטמפרטורה הגז והאנרגיה הפנימית ע"י שכן נעשתה עבודה ע יורדת קטנה במונחים מולקולריים, הקינטית של האנרגיה הגז קטנה מולקולות ביצוע העבודה ולכן עם קטנה ואיתה מהירותן הטמפרטורה העבודה הנעשית בתהליכים ים הידוע): (הידוע נקשור את שינוי הטמפרטורה לשינוי הנפח כעת הפנימי שווה ללחץ הלחץ הפיכה, ת ב בשקף הבא): (פיתוח לאורך התהליך החיצוני אפשר לקבל את מכאן 47 c,m R c,m R c,m R c, m R 48 העבודה הנעשית בתהליכים ים באנרגיה הפנימית של גז השינוי ניתנת לתיאור ע ע"יייי אידיאלי שינויי הטמפרטורה והנפח סכום מצב) פונקצית U) בנפרד הפנימית של גז האנרגיה בלתי תלויה בנפח אידיאלי המולקולות ולכן רק שתופסות הטמפרטורה משמעותי שינוי תלוי בטמפרטורה: בלתי אםםםם העבודה הנעשית בתהליכים ים d du d du d d d d d ln( ) nr/ ln nrln d ln d0 d nr,m R nr ln 45 U ( ) 8

9 דוגמא: עבודה בתהליך מול 0.02 של הפיכה ת נניח ליטר לליטר: מחצי 298K החל מטמפרטורה של ארגון ם כנגד נפח בתהליך הלחץ קוי ם": "ם נקראים > :( v,m /R.50) <( v,m (Ar)2.48J/Kmol) L ( 298K )x.0 L 88K 52 היא: והעבודה כלומר: -0K adabatc הטמפרטורה בלתי תלוי במסת הגז אולם שינוי תלויה בה העבודה איזותרמית חום זורם למערכת וממתן את ב הטמפרטורה ואיתה הלחץ ולכן השיפוע קטן יותר ירידת 49 (0.02mol)x( 2.48 J )x(0k ) 27J Kmol 5 יחס קיבולי החום הפיך בשינוי הלחץ בתהליך נתבונן בשקף הבא) (פיתוח ) אידיאלי: גז של,m החום בלחץ קבוע גדול מאשר בנפח קבוע קיבול ולכן: ולכן: 5/ מונואטומי: v,m (/2)R בגז ולכן: 4/ לינארי: v,m R לא-לינארי מבנה לא עם פוליאטומי בגז הראשון החוק עבודת מוכללת עבודה חופשית בלחץ קבוע הפיכה אי הפיכה איזוטרמית מושגים פנימית אנרגיה קלורימטריה חום קיבול סגולי חום עבודה חישובי קיבולי החום יחס ם 50 nr const >,m,m R,m R,m תרמודינמיקה. ± יחס קיבולי החום ההתחלתי והסופי תמיד מתאימים למשוואת המצב הגזים: כבר כי: ידוע הגזים א-תכונות סילבוס קורס ומנגנונים ומנגנ מושגים הראשון של התרמודינמיקה: החוק ב- ומנגנונים מושגים השני והשלישי: החוק ג- פזות ד-דיאגרמת משקל כימי ה-שיווי קינטיקה.2 ראקציות כימיות א-קצב וקטליזות ב-מנגנונים c,m R,m R ( ) const