Termochemija. Darbas ir šiluma.

Transcript

1 Termochemija. Darbas ir šiluma.

2 Energija gyvojoje gamtoje. saulės šviesa CO 2 H 2 O O 2 gliukozė C 6 H 12 O 6 saulės šviesa Pavyzdys: Fotosintezė chloroplastas saulės 6CO 2 + 6H 2 O + šviesa C 6 H 12 O 6 + 6O 2 šviesos reakcija Kalvin o ciklas gliukozė

3 Energijos apykaita gyvuosiuose organizmuose Saulės švies Fotosintezė Organinės medžiagos Oksidacijos-redukcijos reakcija NADH Šiluma Aplinka Jonų gradientas Jonų ir molekulių transportavimas Judėjimas Didelių molekulių biosintezė Mažų molekulių biosintezė NADH nikotinamido adenino dinukleotidas ATP adenozino trifosfatas

4 Terminai ir sąvokos: visata Sistema Aplinka Sistema + Aplinka = Visata

5 Terminai ir sąvokos: visata Sistema Aplinka Sistema + Aplinka = Visata

6 Terminai ir sąvokos: sistema medžiaga Sistemų rūšys. šiluma atvira sistema šiluma uždara sistema izoliuota sistema Atvira sistema (a) (b) (c) Uždara sistema Izoliuota sistema

7 Terminai ir sąvokos: Kinetinė energija Energija, E Gebėjimas atlikti darbą. Iš graikų kalbos ἐνέργεια veikimas, galia jėga Kinetinė energija Judėjimo energija. matavimo vienetai: E k = 1 2 judančio kūno masė m u 2 judėjimo greitis [E k ] = kg m2 s 2 = J (Džiaulis)

8 Terminai ir sąvokos: Energija ir darbas Darbas Jėga reikalinga įveikti atstumą. kūną veikianti jėga w = F h = m g h pagreitis, pvz. laisvo kritimo matavimo vienetai: [w ] = kg m s 2 atstumas masė m = J (Džiaulis)

9 Pavyzdys 1: darbas, kurį atlieka vanduo Medžio šaknimis, kamienu ir šakomis maistinės medžiagos iš dirvožemio pernešamosį lapus. Įsivaizduokime, kad sudėtinga kapiliarų sistema šį darbą atlieka vanduo. Apskaičiuokite, kokį darbą reikia atlikti, norint 10 g vandens iškelti į 20 m aukštį (pvz. į medžio viršūnę). Pritaikius darbo lygtį: w = F h = m g h w = (0,01 kg) (9,81 m s -2 ) (20 m) = 2,0 kg m 2 s -2 = 2,0 J O kokį darbą reikia atlikti, norint 1 kg vandens pakelti į 20 cm aukštį. w = (1 kg) (9,81 m s -2 ) (0,2 m) = 2,0 kg m 2 s -2 = 2,0 J

10 Terminai ir sąvokos: Potencinė energija Potencinė energija Priklauso nuo atstumo tarp objektų. Energija gali keistis iš potencinės į kinetinę ir priešingai.

11 Terminai ir sąvokos: Šiluminė energija Šiluminė energija Kinetinė energija susijusi su chaotišku molekulių judėjimu. Proporcinga temperatūrai. Intensyvus dydis. Šiluma ir darbas Nėra energijos rūšys, bet energijos perdavimo būdai. Žymime q ir w.

12 Terminai ir sąvokos: Šiluma Dėl temperatūros skirtumo energija gali pereiti iš vieno erdvės taško į kitą, pavyzdžiui iš sistemos į aplinką. Šiluma pereina nuo karštesnio į šaltesnį kūną. Temperatūra gali keistis. Fazinė būsena gali keistis (izoterminiam procesui).

13 Šilumos, darbo ir energijos vienetai Džiaulis (J) S.I. sistemos šilumos vienetas Kalorija (cal) Šilumos kiekis reikalingas pakeisti 1 g vandens temperatūrą vienu laipsniu. 1 cal = J = kg m2 s-2

14 Šiluminė talpa Šilumos kiekis, reikalingas sistemos temperatūrai pakeisti (padidinti arba sumažinti) vienu laipsniu (K arba o C). Molinė šiluminė talpa c mol Šiluma tenkanti vienam medžiagos moliui Vienetai (SI): J mol -1 K -1 Specifinė (savitoji) šiluminė talpa c Šiluma tenkanti vienam medžiagos gramui Vienetai (SI): J g -1 K -1 q = n c mol T q = m c T Bendra šiluminė talpa C Šiluma tenkanti visai sistemai. Vienetai (SI): J K -1 q = C T

15 Dujų šiluminės talpos rūšys V = konst. šiluma q = C V T. P = konst. šiluma Pvz.: vienatomėms idealioms dujoms (He, Ne ir pan.): C P C V = R ir C V = 3/2 R q = C P T. C V C P.

16 Energijos tvermės dėsnis Vykstant energijos mainams (pavyzdžiui šilumos pavidalu) tarp sistemos ir aplinkos, visos visatos energija nepakinta, t.y. energija nei sunaikinama nei sukuriama. q sistemos + q aplinkos = 0 arba q sistemos = - q aplinkos

17 Pavyzdys 2: Specifinės šiluminės talpos nustatymas verdantis vanduo Eksperimento pradžia (pradinės sąlygos) Eksperimento pabaiga (galinės sąlygos)

18 Pavyzdys 2: Specifinės šiluminės talpos nustatymas Pritaikius prieš tai pavaizduoto eksperimento duomenis apskaičiuokite Pb (švino) specifinę šiluminę talpą c Pb. Šiluma, kurią įgavo vanduo: q H2O = m c H2O T = = (50.0 g) (4.184 J g -1 C -1 ) ( ) C = J Pagal energijos tvernės dėsnį: q Pb = - q H2O q Pb = J = m c Pb T = (150.0 g) (c Pb ) ( ) C c Pb = 0.13 J g -1 C -1

19 Reakcijų šiluma Cheminė energija arba cheminių ryšių energija. Sistemos vidinės energijos sudedamoji dalis. Reakcijos šiluma, q r. Šilumos kiekis, kuris perduodamas iš sistemos į aplinką arba iš aplinkos į sistemą, kai sistemoje vyksta cheminė reakcija. Egzoterminė reakcija. išsiskiria šiluma, q r < 0. Endoterminė reakcija. sugeriama šiluma, q r > 0.

20 Kalorimetras - Prietaisas, kurio pagalba matuojama įvairių procesų (reakcijų, tirpimo ir t.t.) šiluma. - Izoliuota sistema būtų idealus kalorimetras Pagrindinės kalorimetro sudedamosios dalys - Termoizoliacinė kamera - Reakcijos indas (talpa) - Termometras Kalorimetrija Pastovaus slėgio kalorimetras, skirtas medžiagų tirpimo šilumos nustatymui termometras termoizoliacinis dangtis kalorimetrinė stiklinė termoizoliacinė kamera medžiagos subėrino įrenginys, pvz. švirkštas maišiklis tiriamoji medžiaga vanduo Kalorimetrų rūšys - Pastovaus slėgio - Pastovaus tūrio (kalorimetrinė bomba) Šiuolaikinis mažo tūrio kalorimetras, skirtas greitam fermentų aktyvumo nustatymui

21 Reakcijos šilumos nustatymas esant q reakcijos = - q kalorimetro pastoviam sistemos tūriui Tarkime reakcija vyksta nekintant sistemos tūriui Vykstant cheminei reakcijai: q kalorimetro = q bombos + q vandens + + q termometro + Kalorimetro šiluminė talpa (kalorimetro konstanta) C q kalorimetro = C kalorimetro T šiluma Kalorimetrinė bomba arba pastovaus tūrio kalorimetras

22 Pavyzdys 3: Kalorimetrijos duomenų taikymas nustatant reakcijos šilumą q r Sudeginus g sacharozės kalorimetro temperatūra pakilo nuo iki C. Kalorimetro šiluminė talpa (kalorimetro konstanta) lygi 4.90 kj/ C. Užduotis: (a) Apskaičiuokite sacharozės C 12 H 22 O 11 degimo šilumą (kj/mol) (b) Patikrinkite, ar teisūs yra burnos ertmę gaivinančių tic tac žirnelių gamintojai, reklamoje teigiantys, kad su vienu žirneliu gauname tik 2 kalorijas energijos. Vieno žirnelio masė vidutiniškai lygi 0.5 g, ir tarkim jį sudaro vien tik sacharozė.

23 Pavyzdys 3: Kalorimetrijos duomenų taikymas nustatant reakcijos šilumą q r Kalorimetro sugertos šilumos q kal apskaičiavimas : q kal = C T = (4.90 kj/ C) ( ) C = (4.90) (3.41) kj = 16.7 kj Reakcijos q r apskaičiavimas : q r = -q kal = kj g sacharozės

24 Pavyzdys 3: Kalorimetrijos duomenų taikymas nustatant reakcijos šilumą q r Specifinės bei molinės sacharozės degimo šilumos apskaičiavimas: kj qr = -q kal = = kj/g g g q = kj/g = r kj/mol 1.00 mol Tic tac žirnelio degimo šilumos q r nustatymas: q r = ( kj/mol)( -8,26 kj 0.5 g g/mol 1.00 kcal kj = -2.0 kcal )= -8,26 kj

25 Pavyzdys 4: Kalorimetrijos eksperimentas tirpaluose Pastovaus tūrio kalorimetras, kurį sudarė 0,1 L tirpalo, buvo kalibruojamas atliekant žinomą reakciją. Reakcijos metu išsiskyrė 1,78 kj šilumos, o tuo pačiu kalorimetro temperatūra pakilo 3,65 C. Vėliau, tame pačiame kalorimetre buvo sumaišyti 50 ml 0,2 mol/l HCl ir 50 ml 0,2 mol/l NaOH tirpalai. Kalorimetro temperatūra padidėjo 1,26 C. Apskaičiuokite neutralizacijos reakcijos šilumą.

26 Pavyzdys 4: Kalorimetrijos eksperimentas tirpaluose Apskaičiuojame kalorimetro konstantą (šiluminę talpą): q kal = C kal T q kal C kal = = T 1,78 kj 3,65 o C = 0,488 kj o C -1 Apskaičiuojame neutralizacijos reakcijos metu kalorimetro sugertą šilumą: q kal = C kal T = (0,488 kj o C -1 ) (1,26 o C) = 0,614 kj Pritaikę energijos tvermės dėsnį, nustatome reakcijos šilumą: q reak = - q kal = - 0,614 kj

27 Cheminių reakcijų atliekamas darbas Išsiskiriant šilumai cheminių reakcijų metu tuo pačiu gali būti atliekamas darbas. Tūrio pokytis. Slėgio-tūrio darbas. skilimo reakcija KClO 3 (k) KCl(k) + 1,5 O 2 (d)

28 Slėgio-tūrio darbas, arba darbas prieš pastovų aplinkos slėgį w = F h= = (P A) h = A cilindro skerspjūvio plotas V tūris P slėgis P = F A = P V w = -P aplinkos V

29 Pavyzdys Example 7-3 5: Slėgio-tūrio darbo skaičiavimas Tarkime prieš tai buvusiame paveiksle buvo vaizduojama mol He esančio 298 K. Kiek darbo atliko dujos besiplėsdamos prieš pastovų slėgį (1.3 atm). Pritaikius idealiųjų dujų būsenos lygtį suskaičiuokime pradinį tūrį: V pradinis = nrt / P = = (0.100mol) (0.082 L atm mol -1 K -1 ) (298K) / (2.40atm) = 1.02 L Bei galutinį tūrį: V galutinis = (0.100mol) (0.082 L atm mol-1 K-1) (298K) / (1.30atm) = 1.88 L Tūrio pokytis: V = V galutinis - V pradinis = L = 0.86 L

30 Pavyzdys 5: Slėgio-tūrio darbo skaičiavimas Suskaičiuokime sistemos atliekamą darbą: w = -P apl V = = -(1.30 atm) (0.86 L) = 101 J = L atm ( ) = 1 L atm = -113 J Kaip apskaičiuojamas darbas J vienetais? Labai paprastai, sulyginkite idealiųjų dujų būsenos konstantas: J mol -1 K -1 atitinka L atm mol -1 K -1 arba 1 J atitinka L atm pastaba: jei slėgiui taikytumėte Pa vienetus, o tūriui m 3, atsakymą iškarto gautume J.

31 Grįžtamo izoterminio proceso darbas Esant be galo mažam tūrio pokyčiui sistemos slėgis praktiškai lygus aplinkos slėgiui, t.y. P = P apl. Tokiomis sąlygomis bus atliktas be galo mažas darbas: Pritaikius PV = nrt dw = -P dv nrt gauname: dw = - dv V Pilnas sistemos atliekamas darbas w randamas integruojant nuo pradinio tūrio V prad iki galutinio sistemos tūrio V gal : suintegravus: V gal dw = - nrt V dv V prad Slėgis, P V prad Išorinis (atmosferos) slėgis Tiriamų dujų slėgis w Tūris, V P V gal dv w = - nrt ln V gal V prad

32 Literatūra L L L L L L L