Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Χημείας. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΕΙΑ ΓΙΑ ΒΙΟΛΟΓΟΥΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥΣ ΧΗΜ 021 Χειμερινό Εξάμηνο 2008

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Χημείας. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΕΙΑ ΓΙΑ ΒΙΟΛΟΓΟΥΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥΣ ΧΗΜ 021 Χειμερινό Εξάμηνο 2008"

Μίδας Κωνσταντίνου
8 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Χημείας ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΕΙΑ ΓΙΑ ΒΙΟΛΟΓΟΥΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥΣ ΧΗΜ 021 Χειμερινό Εξάμηνο 2008 Κωνσταντίνος Ζεϊναλιπούρ Λευκωσία, Σεπτέμβριος 2008

2 ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑΣ Έργο (w) είναι η μεταφορά ενέργειας η οποία οφείλεται στη οργανωμένη κίνηση των δομικών μονάδων (περιβάλλοντος ή συστήματος). π.χ. Ένα αέριο το οποίο εκτονώνεται και σπρώχνει ένα πιστόνι. Έργο δύναμη απόσταση π.χ. ανύψωση βάρους m Εκτόνωση αερίου m Δh Αέριο υπό πίεση Θερμότητα (q) είναι η μεταφορά ενέργειας η οποία οφείλεται σε χαώδη κίνηση των δομικών μονάδων μεταξύ συστήματος και περιβάλλοντος. Είναι η ενέργεια q που ελευθερώνεται η δεσμεύεται από μια αντίδραση για να προχωρήσει από τα αντιδρώντα στα προϊόντα. Ενέργεια (U) είναι η ικανότητα (η χωρητικότητα) του συστήματος να παράγει έργο ή να μεταφέρει θερμότητα Νόμος διατήρησης της Ενέργειας: Η ενέργεια μπορεί να μετατρέπεται από τη μια μορφή στην άλλη, όμως το συνολικό ποσό ενέργειας μένει σταθερό κατά την διάρκεια χημικών αντιδράσεων

ει ένα πιστόνι. Έργο δύναμη απόσταση π.χ.

3 ΕΞΩΘΕΡΜΕΣ ΚΑΙ ΕΝΔΟΘΕΡΜΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ Ενέργεια Αντιδρώ. -q Ε α Προϊόντα Ενέργεια Αντιδρώ. Ε α Προϊόντα +q Εξώθερμη διεργασία είναι μία χημική αντίδραση ή μια φυσική μεταβολή, κατά την οποία εκλύεται θερμότητα (το q είναι αρνητικό). Ενδόθερμη διεργασία είναι μία χημική αντίδραση ή μια φυσική μεταβολή, κατά την οποία απορροφάται θερμότητα (το q είναι θετικό). Η θερμοχημεία μπορεί να σου που αν θα συμβεί μια αντίδραση και ποια θα είναι η μεταβολή της ενέργειας, όμως δεν μπορεί να προβλέψει τον ρυθμό μιας αντίδρασης. Επίσης δεν μπορεί να δώσει πληροφορίες για την δομή της ύλης. Ο ρυθμός χημικών αντιδράσεων εξαρτάται από την ενέργεια ενεργοποίησης (Ε α ) της αντίδρασης και υπολογίζεται από την θεωρία της χημικής κινητικής.

Ενδόθερμη διεργασία είναι μία χημική αντίδραση ή μια φυσική μεταβολή, κατά την οποία απορροφάται θερμότητα (το q είναι θετικό).

4 ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Είδη συνόρων συστήματος-περιβάλλοντος Ανοιχτό σύστημα: Επιτρέπει την ροή μάζας και θερμότητας μεταξύ συστήματος και περιβάλλοντος. (π.χ. νερό σε βρασμό) Κλειστό σύστημα: Επιτρέπει την ροή ενέργειας όμως δεν επιτρέπει την ροή μάζας. (π.χ. ένας κύλινδρος αερίου) Απομονωμένο σύστημα: Δεν επιτρέπει την ροή ενέργειας ή μάζας. (π.χ. δοχείο Dewar) ενέργεια μάζα ενέργεια μάζα ενέργεια μάζα ανοιχτό κλειστό απομονωμένο Είδη τοιχωμάτων ενός συστήματος Διαθερμικά τοιχώματα: (π.χ θερμόμετρο) Επιτρέπει μόνο την ροή θερμότητας άλλα όχι μάζας. Αδιαβατικά τοιχώματα: (π.χ. δοχείο Dewar) Δεν επιτρέπει την ροή μάζας και θερμότητας.

νερό σε βρασμό) Κλειστό σύστημα: Επιτρέπει την ροή ενέργειας όμως δεν επιτρέπει την ροή μάζας. (π.χ.

5 ΠΕΙΡΑΜΑ JOULE Πείραμα Joule για μέτρηση μετατροπής δυναμικής ενέργειας σε θερμική ενέργεια Η πτώση αντικειμένου (δυναμική ενέργεια) περιστρέφει τον αναδευτήρα (μηχανική ενέργεια) το οποίο αυξάνει την κινητική ενέργεια των μορίων μέσα στο υγρό αύξηση της θερμοκρασίας του υγρού (θερμική ενέργεια) Εδώ το σύστημα είναι το νερό μέσα στο ποτήρι ζέσεως ενώ το περιβάλλον όλα τα υπόλοιπα. Το σύστημα είναι ανοιχτό γιατί το νερό μπορεί να εξατμιστεί και να διαφύγει από το σύστημα

μέσα στο υγρό αύξηση της θερμοκρασίας του υγρού (θερμική ενέργεια) Εδώ το σύστημα είναι το νερό μέσα στο ποτήρι ζέσεως

6 ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΕΣ ΚΑΙ ΜΗ ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ Μη αντιστρεπτή διεργασία Αντιστρεπτή διεργασία Το σύστημα (κουβάς με μπογιά) έχασε την δυναμική του ενέργεια πολύ απότομα και κατά μόνιμο τρόπο Το σύστημα είναι κοντά στην ισορροπία. Μπορεί αυθόρμητα να κινηθεί και προς τις δυο κατευθύνσεις

του ενέργεια πολύ απότομα και κατά μόνιμο τρόπο Το σύστημα είναι κοντά

7 1 ος NOMOΣ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ Οπρώτοςνόμουτηςθερμοδυναμικήςδίνεταιαπότην εξής σχέση: ΔU = q + w όπου ΔU είναι η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος, q η θερμότητα και w το έργο. Το ΔU δίνεται από την σχέση: ΔU = U τελ - U αρχ όπου U τελ και U αρχ ητελικήκαιηαρχικήεσωτερική ενέργεια του συστήματος, αντίστοιχα. -w Κατά την αντίδραση Zn + HCl ZnCl 2 + H 2 εκλύεται θερμότητα και παράγεται έργο. -q Το q έχει ( - ) πρόσημο αν θερμότητα χάνεται από το σύστημα προς το περιβάλλον Το q έχει ( + ) πρόσημο αν θερμότητα κερδίζεται από το σύστημα Το w έχει ( - ) πρόσημο αν έργο προσφέρεται από το σύστημα προς το περιβάλλον Το w έχει ( + ) πρόσημο αν έργο δημιουργείται στο σύστημα

-w Κατά την αντίδραση Zn + HCl ZnCl 2 + H 2 εκλύεται θερμότητα και παράγεται έργο.

8 ΕΡΓΟ ΕΚΤΟΝΩΣΗΣ ΑΕΡΙΟΥ Κατά την συμπίεση ενός αεριού προσφέρεται έργο από το περιβάλλον στον σύστημα (w είναι θετικό). Το αντίθετο συμβαίνει κατά την εκτόνωση ενός αερίου, όπου έργο προσφέρεται από τον σύστημα στο περιβάλλον (w είναι αρνητικό). Το έργο το οποίο κερδίζεται η χάνεται απο το σύστημά δίνεται απο την εξής σχέση: όπου ΔV = V τελ V αρχ w = - P ΔV Για συμπίεση ΔV < 0 w > 0 έργο κερδίζεται από το σύστημα Για εκτόνωση ΔV > 0 w < 0 έργο χάνεται από το σύστημα Παράδειγμα: Όταν 1 mol Zn αντιδρά με περίσσεια υδροχλωρικού οξέος παράγεται 1 mol H 2. O αρχικός όγκος του μπαλονιού που συλλέγει το αέριο προϊόν της αντίδρασης είναι 24.5 L ( 1L = 10-3 m 3 ) και ο τελικός όγκος 49.0 L. Επίσης γνωρίζουμε ότι η ατμοσφαιρική πίεση είναι 1 atm (1.01 x 10 5 Pa). Yπολογίστε το έργο το οποίο παράγεται από το σύστημα κατά την απώθηση της ατμόσφαιρας: Λύση: w = - P x ΔV = -P x (V τελ V αρχ ) = x 10 5 (Pa) x ( )x10-3 (m 3 ) = w = (Nm 2 ) = (J) w = kj

Το έργο το οποίο κερδίζεται η χάνεται απο το σύστημά δίνεται απο την εξής σχέση: όπου ΔV = V τελ V αρχ w = - P ΔV Για συμπίεση ΔV < 0 w > 0 έργο κερδίζεται από το σύστημα Για εκτόνωση ΔV > 0 w < 0

9 ΑΠΟΔΕΙΞΗ ΣΧΕΣΗΣ ΕΡΓΟΥ ΕΚΤΟΝΩΣΗΣ ΑΕΡΙΟΥ Aπόδειξη: Κατά την εκτόνωση ενός αερίου η δύναμη (F) που ασκείται στο έμβολο ισούται με P = F / A F = P x A (1) όπου P = πίεση αερίου (Pa ή N/m 2 ) Α = εμβαδόν επιφάνειας εμβόλου (m 2 ) H Μεταβολή του όγκου δίνεται από την σχέση: ΔV = A x Δh (2) όπου Δh =μεταβολή ύψους του εμβόλου (m) Το έργο το οποίο χάνεται στο περιβάλλον λόγο της ανύψωσης του βάρους ισούται w = - F x Δh (3) Αντικαθιστώντας την (1) στην (3): w = - P x A x Δh Με χρήση της σχέσης (2) από την σχέση (4) παίρνουμε ότι: w = - P x ΔV (J) ή (Κgm 2 /s 2 )

Δh (2) όπου Δh =μεταβολή ύψους του εμβόλου (m) Το έργο το οποίο χάνεται στο περιβάλλον λόγο της ανύψωσης του βάρους ισούται w = - F x Δh

10 ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΡΟΝΤΙΣΤΗΡΙΟΥ ΑΣΚΗΣΕΙΣ Το σετ ασκήσεων μαζί με τις λύσεις για το μάθημα μπορείτε να το «κατεβάσετε» από την ιστοσελίδα του μαθήματος:

11 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΔΙΑΦΑΝΕΙΩΝ 1. Γενική Χημεία, Darell D. Ebbin and Steven D. Gammon, 6 η έκδοση, Μεταφρασμένο στα Ελληνικά από τον Καθηγητή Νικόλαο Κλούρα, Εκδόσεις Τραυλός, Εφαρμοσμένη Ανόργανη Χημεία, Στυλιανός Λιοδάκης, Επιστημονικές εκδόσεις Παρισιανού Α.Ε., Αρχές Χημείας, Νικόλαου Δ. Χατζηλιάδη, 1992, Μακεδονικές εκδόσεις, Εκδόσεις ΙΩΝ, Chemistry, The Molecular Nature of Matter and Change, Martin S. Silberberg, 3 rd edition, Mc Graw Hill, General Chemistry, The Essential Concepts, Raymond Chang, Annotated Instructor s Edition, 4 th edition, Mc Graw Hill, Introductory Chemistry, Steve Russo and Mike Silver, 3 rd edition, Pearson, General, Organic and Biological Chemistry, Structures of Life, Karen C. Timberlake, Platinum edition, Pearson, Chemistry, Matter and Its Changes, James E. Brady and Fred Senese, 4 th edition, Wiley, The Practice of Chemistry, Donald J. Wink, Sharon Fetzer-Gislason, Sheila D. McNicholas, W.H. Freeman and Company, Chemistry in your Life, Colin Baird, 2 nd edition, W.H. Freeman and Company, Physical Chemistry for the Life Sciences, Peter Atkins and Julio de Paula, Oxford University Press and W.H. Freeman and Company, General Chemistry, Linus Pauling, Dover Publications Inc., 1970.

Chemistry, The Molecular Nature of Matter and Change, Martin S. Silberberg, 3 rd edition, Mc Graw Hill, 2003. 5.

Σχετικά έγγραφα

Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Χημείας. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΕΙΑ ΓΙΑ ΒΙΟΛΟΓΟΥΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥΣ ΧΗΜ 021 Χειμερινό Εξάμηνο 2008

Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Χημείας ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΕΙΑ ΓΙΑ ΒΙΟΛΟΓΟΥΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥΣ ΧΗΜ 021 Χειμερινό Εξάμηνο 2008 Κωνσταντίνος Ζεϊναλιπούρ Λευκωσία, Σεπτέμβριος 2008 ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΝΘΑΛΠΙΑ (Η) ΚΑΙ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ