Ελόηεηα 2 Θεξκνρεκεία

Transcript

1 Ελόηεηα 2 Θεξκνρεκεία Ελέξγεηα Δλέξγεηα Μνλάδεο κέηξεζεο ελέξγεηαο Νόκνο δηαηήξεζεο ηεο ελέξγεηαο 1

2 Θεξκνδπλακηθή ζεξκνδπλακηθή είλαη ν ηνκέαο ηεο επηζηήκεο πνπ αζρνιείηαη κε ηηο ζρέζεηο κεηαμύ ζεξκόηεηαο θαη άιισλ κνξθώλ ελέξγεηαο ζεξκνρεκεία είλαη έλαο θιάδνο ηεο ζεξκνδπλακηθήο πνπ αζρνιείηαη κε ηα πνζά ζεξκόηεηαο πνπ απνξξνθνύληαη ή εθιύνληαη ζηηο ρεκηθέο αληηδξάζεηο π.ρ. θαύζε πεηξειαίνπ 3 Ελέξγεηα ελέξγεηα Ε είλαη ε ηθαλόηεηα ηεο ύιεο λα παξάγεη έξγν ηδηόηεηα ηεο ύιεο έξγν w είλαη ην απνηέιεζκα κηαο δύλακεο F πνπ επηδξά ζε έλα αληηθείκελν κεηαθηλώληαο ην ζε κηα απόζηαζε d w = F d ε ελέξγεηα κπνξεί λα κεηαθέξεηαη κεηαμύ αληηθεηκέλσλ κε επαθή π.ρ. ζπγθξνύζεηο κπνξεί λα κεηαηξέπεηαη από κηα κνξθή ζε κηα άιιε π.ρ. θηλεηηθή ελέξγεηα δπλακηθή ελέξγεηα 4 2

3 Κηλεηηθή ελέξγεηα ε θηλεηηθή ελέξγεηα Ε k είλαη ε ελέξγεηα πνπ ζπλδέεηαη κε ηελ θίλεζε ελόο αληηθεηκέλνπ ή ε ελέξγεηα πνπ κεηαθέξεηαη από έλα αληηθείκελν ζε έλα άιιν π.ρ. ε ζεξκηθή ελέξγεηα είλαη κηα κνξθή θηλεηηθήο ελέξγεηαο ε θηλεηηθή ελέξγεηα Δ θ ελόο αληηθεηκέλνπ είλαη αλάινγε ηεο κάδαο ηνπ m θαη ηεο ηαρύηεηάο ηνπ v E k = ½mv 2 5 Δπλακηθή ελέξγεηα ε δπλακηθή ελέξγεηα Ε p είλαη ε ελέξγεηα πνπ ζπλδέεηαη κε ηε ζύζηαζε θαη ηε ζέζε ελόο αληηθεηκέλνπ ζε έλα πεδίν δύλακεο ή ε ελέξγεηα πνπ είλαη απνζεθεπκέλε ζε έλα αληηθείκελν π.ρ. ε ελέξγεηα πνπ είλαη απνζεθεπκέλε ζηε δνκή κηαο ρεκηθήο έλσζεο είλαη κηα κνξθή δπλακηθή ελέξγεηα ε δπλακηθή ελέξγεηα Δ p ελόο αληηθεηκέλνπ κάδαο m θαη ζε ύςνο h από ην επίπεδν αλαθνξάο είλαη E p = mgh 6 3

4 Εζσηεξηθή ελέξγεηα ε εζσηεξηθή ελέξγεηα U ελόο αληηθεηκέλνπ είλαη ε θηλεηηθή θαη δπλακηθή ελέξγεηα ησλ κνξίσλ ελόο ζώκαηνο πνπ νθείιεηαη ζηελ κεηαηόπηζε, πεξηζηξνθή θαη ηαιάλησζε ησλ κνξίσλ (θηλεηηθή E k ζσκ ) θαη ζηηο δηακνξηαθέο δπλάκεηο (δπλακηθή Δ p ζσκ ) U = E k ζσκ + E p ζσκ ηα ζπζηαηηθά ηεο εζσηεξηθήο ελέξγεηαο 7 Μνλάδεο κέηξεζεο ηεο ελέξγεηαο ε θηλεηηθή ελέξγεηα Δ θ ελόο αληηθεηκέλνπ είλαη αλάινγε ηεο κάδαο ηνπ m θαη ηεο ηαρύηεηάο ηνπ v E θ = ½mv 2 όηαλ ε κάδα m δίλεηαη ζε kg θαη ε ηαρύηεηα v ζε m/s, ε κνλάδαο κέηξεζεο 2 ηεο Δ kg m θ είλαη 2 s ε ελέξγεηα πνπ απαηηείηαη γηα λα κεηαθηλεζεί έλα αληηθείκελν κάδαο m = 1kg κε ηαρύηεηα v = 1 m/s νλνκάδεηαη 1 joule (J) 2 kg m 2 = 1Joule s 8 4

5 Μνλάδεο κέηξεζεο ηεο ελέξγεηαο 1 joule (J) είλαη ην πνζό ηεο ελέξγεηαο πνπ απαηηείηαη γηα λα κεηαθηλεζεί έλα αληηθείκελν κάδαο 1 kg ζε απόζηαζε 1 m 1 J = 1 N m = 1 kg m 2 /s 2 1 calorie (cal) είλαη ην πνζό ελέξγεηαο πνπ απαηηείηαη γηα λα αλέβεη ε ζεξκνθξαζία 1 g λεξνύ θαηά 1 C 1 cal = 4,184 J 1 kcal = ε ελέξγεηα πνπ απαηηείηαη γηα λα αλέβεη ε ζεξκνθξαζία 1000 g λεξνύ θαηά 1 C 1 ζεξκίδα (γηα ηξνθέο) = 1 Calorie = 1 kcal 9 Απαηηνύκελεο πνζόηεηεο ελέξγεηαο γηα δξαζηεξηόηεηεο ζε δηάθνξεο κνλάδεο κέηξεζεο κνλάδα κέηξεζεο ελέξγεηα γηα λα αλέβεη ε ζεξκνθξαζία 1 g Η 2 Ο θαηά 1 C ελέξγεηα γηα 1 hr ιεηηνπξγίαο κηαο ιάκπαο θσηηζκνύ 100-W ελέξγεηα αλζξώπνπ γηα ηξέμηκν 1 mile ελέξγεηα πνπ ρξεζηκνπνηεί έλαο κέζνο άλζξσπνο ηελ εκέξα joule (J) 4,18 3, , , calorie (cal) 1,00 8, , , Calorie (Cal) 0, , ,

6 Νόκνο δηαηήξεζεο ηεο ελέξγεηαο ε ελέξγεηα νύηε δεκηνπξγείηαη αιιά νύηε θαη θαηαζηξέθεηαη λόκνο δηαηήξεζεο ηεο ελέξγεηαο 1νο λόκνο ηεο ζεξκνδπλακηθήο ε ελέξγεηα κπνξεί λα κεηαθέξεηαη από έλα αληηθείκελν ζε έλα άιιν λα κεηαηξέπεηαη από κηα κνξθή ζε κηα άιιε κνξθή ζεξκόηεηα θσο ήρνο αιιά ην ζπλνιηθό πνζό ελέξγεηαο παξακέλεη ζηαζεξό 11 Νόκνο δηαηήξεζεο ηεο ελέξγεηαο ε ελέξγεηα ε ελέξγεηα κπνξεί λα κεηαηξέπεηαη από κηα κνξθή ζε κηα άιιε κνξθή Δ p E k 12 6

7 Μνξθέο ελέξγεηαο ειεθηξηθή θηλεηηθή ελέξγεηα πνπ ζπλδέεηαη κε ηε ξνή ειεθηξηθνύ θνξηίνπ ζεξκόηεηα ή ζεξκηθή ελέξγεηα θηλεηηθή ελέξγεηα πνπ ζπλδέεηαη κε ηελ θίλεζε ησλ κνξίσλ αθηηλνβνιία (θσηεηλή ελέξγεηα) θηλεηηθή ελέξγεηα πνπ ζπλδέεηαη κε ηηο κεηαπηώζεηο ελέξγεηαο ελόο αηόκνπ ππξεληθή δπλακηθή ελέξγεηα πνπ ζπλδέεηαη κε ηνπο ππξήλεο ησλ αηόκσλ ρεκηθή δπλακηθή ελέξγεηα πνπ ζπλδέεηαη κε ηνπο δεζκνύο ησλ αηόκσλ ζε κηα ρεκηθή έλσζε 13 Θεξκόηεηα αληίδξαζεο Σύζηεκα θαη πεξηβάιινλ Θεξκόηεηα - ζεξκόηεηα αληίδξαζεο Δλζαιπία Θεξκνρεκηθέο εμηζώζεηο 7

8 Σύζηεκα-πεξηβάιινλ θαη δηαηήξεζε ηεο ελέξγεηαο ζύζηεκα είλαη ην κέξνο ηνπ ζύκπαληνο (πιηθό ή δηαδηθαζία) ζην νπνίν κειεηάκε κεηαβνιέο ελέξγεηαο πεξηβάιινλ είλαη νηηδήπνηε ππάξρεη ηξηγύξσ από ην ζύζηεκα πνπ κειεηάκε ε ζπλνιηθή κεηαβνιή ελέξγεηαο ηνπ ζπζηήκαηνο θαη ηνπ πεξηβάιινληνο είλαη κεδέλ λόκνο δηαηήξεζεο ηεο ελέξγεηαο ΔE ζύκπαλ = ΔE ζύζηεκα + ΔE πεξηβάιινλ = 0 Γ: κεηαβνιή ΓΧ = κεηαβνιή (ηειηθνύ πνζνύ Χ αξρηθνύ πνζνύ Χ) 15 Μεηαθνξά ελέξγεηαο κεηαμύ ζπζηήκαηνο-πεξηβάιινληνο όηαλ ειεπζεξώλεηαη έλα πνζό ελέξγεηαο από ην ζύζηεκα, ε ελέξγεηα απηή ξέεη από ην ζύζηεκα πξνο ην πεξηβάιινλ ε κεηαβνιή ηεο ελέξγεηαο ηνπ ζπζηήκαηνο είλαη ΓE ζύζηεκα < 0 ε κεηαβνιή ηεο ελέξγεηαο ηνπ πεξηβάιινληνο είλαη ΓΔ πεξηβάιινλ > 0 επνκέλσο: ΔE ζύζηεκα = ΔE πεξηβάιινλ πεξηβάιινλ DE + ζύζηεκα DE 16 8

9 Μεηαθνξά ελέξγεηαο κεηαμύ ζπζηήκαηνο-πεξηβάιινληνο όηαλ πξνζηίζεηαη έλα πνζό ελέξγεηαο ζην ζύζηεκα, ε ελέξγεηα απηή ξέεη από ην πεξηβάιινλ πξνο ην ζύζηεκα ε κεηαβνιή ηεο ελέξγεηαο ηνπ ζπζηήκαηνο είλαη ΓE ζύζηεκα > 0 ε κεηαβνιή ηεο ελέξγεηαο ηνπ πεξηβάιινληνο είλαη ΓΔ πεξηβάιινλ < 0 επνκέλσο: ΔE ζύζηεκα = ΔE πεξηβάιινλ πεξηβάιινλ DE ζύζηεκα DE + 17 Μεηαθνξά ελέξγεηαο κεηαμύ ζπζηήκαηνο-πεξηβάιινληνο έλα ζύζηεκα κεηαβάιιεη ηελ ελέξγεηά ηνπ όηαλ αληαιιάζζεη ελέξγεηα κε ην πεξηβάιινλ είηε κε ηε κνξθή ζεξκόηεηαο q ή έξγνπ w ΔE = q + w q : ζεξκόηεηα (ζεξκηθή ελέξγεηα) w : έξγν q w DE ην ζύζηεκα πξνζιακβάλεη ζεξκηθή ελέξγεηα q > 0 ην ζύζηεκα πξνζιακβάλεη ελέξγεηα από έξγν w > 0 ην ζύζηεκα πξνζιακβάλεη ελέξγεηα ΓΔ > 0 ην ζύζηεκα ειεπζεξώλεη ζεξκόηεηα q < 0 ην ζύζηεκα ειεπζεξώλεη ελέξγεηα εθηειώληαο έξγν w < 0 ην ζύζηεκα ειεπζεξώλεη ελέξγεηα ΓΔ <

10 Μεηαθνξά ελέξγεηαο ε ελέξγεηα κπνξεί λα κεηαθέξεηαη κεηαμύ ηνπ ζπζηήκαηνο θαη ηνπ πεξηβάιινληνο είηε κέζσ αληαιιαγήο ζεξκόηεηα είηε κέζσ παξαγσγήο έξγνπ 19 Θεξκόηεηα ζε έλα ηξαπέδη κε ιεία επηθάλεηα, ην κεγαιύηεξν πνζό ηεο θηλεηηθήο ελέξγεηαο από ηε κπάια πνπ θηλείηαη κεηαθέξεηαη ζηελ άιιε κπάια έλα κηθξό πνζό ελέξγεηαο ράλεηαη κε ηε κνξθή ζεξκόηεηαο ιόγσ ηξηβήο 20 10

11 Θεξκόηεηα ζε έλα ηξαπέδη κε ηξαρηά επηθάλεηα, ην κεγαιύηεξν πνζό ηεο θηλεηηθήο ελέξγεηαο ηεο κπάιαο πνπ θηλείηαη ράλεηαη κε ηε κνξθή ζεξκόηεηαο ιόγσ ηξηβήο έλα κηθξό πνζό ελέξγεηαο κεηαθέξεηαη κε ηε κνξθή θηλεηηθήο ελέξγεηαο ζηελ άιιε κπάια 21 Μεηαθνξά ζεξκόηεηαο ζεξκόηεηα q είλαη ε ελέξγεηα πνπ κεηαθέξεηαη κεηαμύ ελόο ζπζηήκαηνο θαη ηνπ πεξηβάιινληόο ηνπ ιόγσ δηαθνξάο ζεξκνθξαζίαο ε ζεξκόηεηα κεηαθέξεηαη από κηα πεξηνρή πςειήο ζεξκνθξαζίαο πξνο κηα πεξηνρή ρακειήο ζεξκνθξαζίαο ε ζεξκόηεηα κεηαθέξεηαη κέρξη νη δύν πεξηνρέο λα απνθηήζνπλ ηελ ίδηα ζεξκνθξαζία ζεξκηθή ηζνξξνπία 22 11

12 Εμώζεξκεο θαη ελδόζεξκεο αληηδξάζεηο ζε έλα ζύζηεκα όπνπ ζπκβαίλεη κηα ρεκηθή αληίδξαζε: όηαλ ην ζύζηεκα ειεπζεξώλεη ζεξκόηεηα πξνο ην πεξηβάιινλ, ε ζεξκόηεηα ηνπ ζπζηήκαηνο κεηώλεηαη (q < 0) ε αληίδξαζε είλαη εμώζεξκε όηαλ ην ζύζηεκα απνξξνθά ζεξκόηεηα από ην πεξηβάιινλ, ε ζεξκόηεηα ηνπ ζπζηήκαηνο απμάλεηαη (q > 0), ε αληίδξαζε είλαη ελδόζεξκε 23 Εμώζεξκεο αληηδξάζεηο κνξηαθή άπνςε ζε κηα εμώζεξκε αληίδξαζε, ε ζεξκνθξαζία ηνπ δνρείνπ απμάλεηαη από ηελ αληίδξαζε ειεπζεξώλεηαη ζεξκόηεηα ζην πεξηβάιινλ κεηαηξνπή κέξνπο ηεο E p ρεκηθή ησλ αληηδξώλησλ ζε E k κε ηε κνξθή ζεξκόηεηαο ε E p ρεκ ηνπ ζπζηήκαηνο κεηαβάιιεηαη θάπνηα δεζκνί δηαζπώληαη ελώ θάπνηνη άιινη ζρεκαηίδνληαη E p ρεκ (πξντόληα) <E p ρεκ (αληηδξώληα) ε δηαθνξά ελέξγεηαο ειεπζεξώλεηαη ζαλ ζεξκόηεηα 24 12

13 Ελδόζεξκεο αληηδξάζεηο κνξηαθή άπνςε ζε κηα ελδόζεξκε αληίδξαζε, ε ζεξκνθξαζία ηνπ δνρείνπ κεηώλεηαη ιόγσ ηνπ όηη απνξξνθάηαη ζεξκόηεηα ε ζεξκόηεηα απνξξνθάηαη από ην πεξηβάιινλ θαηά ηε δηάξθεηα ηεο αληίδξαζεο, ε E p ρεκηθή ηνπ ζπζηήκαηνο κεηαβάιιεηαη θάπνηα δεζκνί δηαζπώληαη ελώ θάπνηνη άιινη ζρεκαηίδνληαη E p ρεκ (πξντόληα) >E p ρεκ (αληηδξώληα) ε ζεξκηθή ελέξγεηα ηνπ πεξηβάιινληνο E k πνπ απνξξνθάηαη κεηαηξέπεηαη ζε E P ρεκ πνπ απνζεθεύεηαη ζηα πξντόληα 25 Θεξκόηεηα αληίδξαζεο ζηελ αξρή κηαο αληίδξαζεο εμώζεξκε αληίδξαζε: ην δνρείν ηεο αληίδξαζεο ζεξκαίλεηαη ελδόζεξκε αληίδξαζε: ην δνρείν ηεο αληίδξαζεο ςύρεηαη κε ηελ νινθιήξσζε ηεο αληίδξαζεο ε ξνή ζεξκόηεηαο ζπλερίδεηαη κέρξη λα επέιζεη ζεξκηθή ηζνξξνπία ην πνζό ζεξκόηεηαο q πνπ εθιύεηαη ή απνξξνθάηαη από ηελ αξρή κέρξη ην ηέινο ηεο αληίδξαζεο (ζε κηα δεδνκέλε ζεξκνθξαζία) είλαη ε ζεξκόηεηα αληίδξαζεο 26 13

14 Ελζαιπία ε ζεξκόηεηα κηαο αληίδξαζεο ππό ζηαζεξή πίεζε (δνρείν αλνηρηό ζηελ αηκόζθαηξα) είλαη q p ε q p ζρεηίδεηαη κε ηελ ελζαιπία Η ηνπ ζπζηήκαηνο ηεο αληίδξαζεο ε ελζαιπία Η ελόο ζπζηήκαηνο είλαη ην άζξνηζκα ηεο εζσηεξηθήο ελέξγεηαο ηνπ ζπζηήκαηνο U θαη ηνπ γηλνκέλνπ ηεο πίεζεο κε ηνλ όγθν PV H = U + PV εθθξάδεη ην ζεξκηθό πεξηερόκελν ελόο ζπζηήκαηνο είλαη εληαηηθή ηδηόηεηα ε ηηκή ηεο εμαξηάηαη από ηηο πνζόηεηεο ησλ ζπζηαηηθώλ ηνπ ζπζηήκαηνο κεγαιύηεξεο πνζόηεηεο ζπζηαηηθώλ πξνθαινύλ κεγαιύηεξεο κεηαβνιέο ηεο ελζαιπίαο 27 Ελζαιπία αληίδξαζεο ε ελζαιπία αληίδξαζεο ΔΗ αληίδξαζε είλαη ε κεηαβνιή ελζαιπίαο ΓΗ κηαο αληίδξαζε, ζε ζπγθεθξηκέλε ζεξκνθξαζία Τ θαη πίεζε P ΔΗ αληίδξαζε = Η πξντόληα Η αληηδξώληα ε ΓΗ αληίδξαζε ππό ζηαζεξή πίεζε P είλαη ίζε κε ηε ζεξκόηεηα q p πνπ εθιύεηαη ή απνξξνθάηαη από ηελ αληίδξαζε ΔH αληίδξαζε = q p π.ρ. θαηά ηελ αληίδξαζε ππό ζηαζεξή πίεζε P = 1 atm 2Na + 2H 2 O 2NaOH + H 2 εθιύεηαη ζεξκόηεηα 367,6 kj εθόζνλ q p = 367,6 kj, ηόηε ΓΗ αληίδξαζε = 367,6 kj 28 14

15 Θεξκνρεκηθέο εμηζώζεηο γηα λα παξνπζηάζνπκε ηε κεηαβνιή ηεο ελζαιπίαο πνπ ζπλνδεύεη κηα αληίδξαζε ρξεζηκνπνηνύκε κηα ζεξκνρεκηθή εμίζσζε κηα ζεξκνρεκηθή εμίζσζε είλαη ε ρεκηθή εμίζσζε κηαο αληίδξαζεο πνπ επηπιένλ πεξηέρεη: ηελ ΔΗ αληίδξαζε γηα γξακκνκνξηαθέο πνζόηεηεο αληηδξώλησλ ηηο ελδείμεηο ησλ θάζεσλ ησλ αληηδξώλησλ θαη πξντόλησλ π.ρ. θαηά ηελ αληίδξαζε Na + H 2 O NaOH + ½H 2 εθιύεηαη ζεξκόηεηα q p = 183,8 kj γηα θάζε mol Na, δειαδή ΔΗ αληίδξαζε = 183,8 kj ζεξκνρεκηθή εμίζσζε: Na(s) + H 2 O(l) NaOH(aq) + ½H 2 (g) ΓΗ = 183,8 kj 29 Χεηξηζκόο ζεξκνρεκηθώλ εμηζώζεσλ ρεηξηζκόο ζεξκνρεκηθώλ εμηζώζεσλ: ε ΔΗ αληίδξαζεο είλαη αλάινγε ησλ πνζνηήησλ ησλ νπζηώλ πνπ θαηαλαιώλνληαη ζηελ αληίδξαζε π.ρ. γηα ηελ θαύζε 1 mol CH 4 εθιύεηαη ζεξκόηεηα 802 kj CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) ΔΗ = 802 kj γηα ηελ θαύζε 2 mol CH 4 εθιύεηαη ζεξκόηεηα 1604 kj 2CH 4 (g) + 4O 2 (g) 2CO 2 (g) + 4H 2 O(g) ΔΗ = 2 ( 802 kj) = 1604 kj 30 15

16 Χεηξηζκόο ζεξκνρεκηθώλ εμηζώζεσλ ρεηξηζκόο ζεξκνρεκηθώλ εμηζώζεσλ: ε ΔΗ αληίδξαζε κηαο αληίδξαζεο είλαη ίζε ζε κέγεζνο αιιά κε αληίζεην πξόζεκν γηα ηελ αληίζηξνθε αληίδξαζε π.ρ. γηα ηελ θαύζε 1 mol CH 4 ηζρύεη CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) ΔΗ = 802 kj γηα ηελ αληίζηξνθε αληίδξαζε CO 2 (g) + 2H 2 O(g) CH 4 (g) + 2O 2 (g) ΔΗ = ( 802 kj) = +802 kj 31 Χεηξηζκόο ζεξκνρεκηθώλ εμηζώζεσλ ρεηξηζκόο ζεξκνρεκηθώλ εμηζώζεσλ: ε ΔΗ αληίδξαζε εμαξηάηαη από ηελ θαηάζηαζε ζηελ νπνία βξίζθνληαη νη νπζίεο πνπ ζπκκεηέρνπλ ζηελ αληίδξαζε π.ρ. γηα ηελ θαύζε 1 mol CH 4 ηζρύεη CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) ΔΗ = 802 kj αλ θαηά ηελ θαύζε ηνπ CH 4 παξάγεηαη Η 2 Ο(l) αληί γηα Η 2 Ο(g) CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(l) ΔΗ = 890 kj ε επηπιένλ ζεξκόηεηα πνπ εθιύεηαη, 88 kj, είλαη ε ζεξκόηεηα ηεο 2Η 2 Ο(g) 2H 2 O(l) ΔΗ = 88 kj 32 16

17 Εθαξκνγή ρεηξηζκνύ ζεξκνρεκηθώλ εμηζώζεσλ 2 mol Η 2 (g) θαη 1 mol O 2 (g) αληηδξνύλ γηα λα δώζνπλ Η 2 Ο, θαη εθιύνληαη 572 kj ζεξκόηεηαο. 2 Η 2 (g) + O 2 (g) 2 Η 2 Ο(l) ΓH = 572 kj πνηα είλαη ε ζεξκνρεκηθή εμίζσζε γηα παξαγσγή 1 mol Η 2 Ο(l); πνιιαπιαζηάδνπκε ηνπο ζπληειεζηέο θαη ην ΓΗ κε 0,5 [2 Η 2 (g) + Ο 2 (g) 2 H 2 O(l)] 0,5 ΔH = 0,5 ( 572 kj) Η 2 (g) + 1/2Ο 2 (g) H 2 O(l) ΔH = 286 kj πνηα είλαη ε αληίζηξνθε ζεξκνρεκηθή εμίζσζε γηα δηάζπαζε 1 mol Η 2 Ο(l); αληηζηξέθνπκε ηελ παξαπάλσ εμίζσζε H 2 O(l) Η 2 (g) + 1/2Ο 2 (g) ΔH = +286 kj 33 Σηνηρεηνκεηξία θαη ζεξκόηεηα αληίδξαζεο ην πνζό ζεξκόηεηαο πνπ εθιύεηαη από κηα αληίδξαζε εμαξηάηαη από ηηο πνζόηεηεο ησλ αληηδξώλησλ ζηα πξνβιήκαηα ππνινγηζκνύ ηεο ζεξκόηεηαο πνπ εθιύεηαη από κηα αληίδξαζε: κεηαηξέπνπκε ηηο πνζόηεηεο ηνπ αληηδξώληνο Α από g ζε mol ρξεζηκνπνηνύκε ηα mol ηνπ Α θαη ηελ ΓΗ κε ηνπο ζπληειεζηέο ηεο ζεξκνρεκηθήο εμίζσζεο γηα λα βξνύκε ηε ζεξκόηεηα q πνπ εθιύεηαη g A mol A ΓΗ q 34 17

18 Παξάδεηγκα. Πόζε ζεξκόηεηα εθιύεηαη, όηαλ παξάγνληαη 907 kg ΝΗ 3 ζύκθσλα κε ηε ζεξκνρεκηθή εμίζσζε N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) ΔΗ = 91,8 kj δεδνκέλα: δεηνύκελα: ζρέδην: ζρέζεηο: ιύζε: m =907 kg NH 3, ΓΗ = 91,8 kj q, kj g A 1 mol NH 3 = 17,0 g 2 mol NH 3 = ΓΗ = 91,8 kj 9, mol NH3 17,0 g NH 1mol NH3 g NH3 17,0 g 3 mol A ΓΗ - 91,8 kj 1 mol NH 3-91,8 kj 2 mol NH 3 q = -2, kj έιεγρνο: νη κνλάδεο είλαη ζσζηέο θαη ην απνηέιεζκα είλαη ινγηθό Παξάδεηγκα. Πόζε ζεξκόηεηα εθιύεηαη θαηά ηελ πιήξε θαύζε 13,2 kg C 3 H 8 (g) ζύκθσλα κε ηε ζεξκνρεκηθή εμίζσζε C 3 H 8 (g) + 5O 2 (g) 3CO 2 (g) + 4H 2 O(g) ΔΗ = 2044 kj δεδνκέλα: δεηνύκελα: ζρέδην: ζρέζεηο: ιύζε: m =13,2 kg C 3 H 8 ΓΗ = 2044 kj q, kj kg C 3 H g 1 kg 1 mol C 3 H 8 = 44,09 g 1 mol C 3 H 8 = ΓΗ = 2044 kj mol C H q g C 3 H 8 mol C 3 H ,09 g ΓΗ 1000 g 1mol NH kj 5 13,2 kgc3 H8 = -6,12 10 kj 1kg 44,09 g 1mol NH kj 1 mol C H 3 8 έιεγρνο: νη κνλάδεο είλαη ζσζηέο θαη ην απνηέιεζκα είλαη ινγηθό 18

19 ελζαιπία Η ελζαιπία Η 31/3/2011 Δηάγξακκα ελζαιπίαο γηα ελδόζεξκεο θαη εμώζεξκεο αληηδξάζεηο από έλα δηάγξακκα ελζαιπίαο κπνξνύκε λε ζπκπεξάλνπκε αλ κηα αληίδξαζεο είλαη εμώζεξκε ή ελδόζεξκε αλ Η πξντόληα > Η αληηδξώληα, ηόηε ΔΗ αληίδξαζε > 0 αλ P = ζηαζεξή, ε αληίδξαζε είλαη ελδόζεξκε (q p > 0) πξντόληα DΗ > 0 (q p > 0) ελδόζεξκε αληίδξαζε αληηδξώληα αλ Η πξντόληα < Η αληηδξώληα, ηόηε ΔΗ αληίδξαζε < 0 αλ P = ζηαζεξή, ε αληίδξαζε είλαη εμώζεξκε (q p < 0) αληηδξώληα DΗ < 0 (q p < 0) εμώζεξκε αληίδξαζε πξντόληα 37 Μέηξεζε ηεο ζεξκόηεηαο κηαο αληίδξαζεο Θεξκνρσξεηηθόηεηα Μέηξεζε ζεξκόηεηαο κηαο αληίδξαζεο - ζεξκηδνκεηξία 19

20 Θεξκόηεηα πνπ απνξξνθάηαη από έλα ζώκα ζεξκνρσξεηηθόηεηα όηαλ έλα αληηθείκελν ζεξκαίλεηαη, απνξξνθά έλα πνζό ζεξκόηεηαο q θαη ε ζεξκνθξαζία ηνπ απμάλεηαη θαηά ΓΤ ε ζεξκόηεηα q πνπ απνξξνθάηαη είλαη q = C DT C = ζεξκνρσξεηηθόηεηα ε ζεξκόηεηα πνπ απαηηείηαη γηα λα αλπςσζεί ε ζεξκνθξαζία ηνπ αληηθεηκέλνπ θαηά ΓΤ = 1 o C ή 1Κ ε ΔΤ είλαη ίδηα ζε κέγεζνο είηε ε ζεξκνθξαζία εθθξάδεηαη ζε o C είηε ζε Κ κνλάδεο κέηξεζεο: J/ C ή J/K 39 Θεξκνρσξεηηθόηεηα ελόο αληηθεηκέλνπ ε ζεξκνρσξεηηθόηεηα C ελόο αληηθεηκέλνπ εμαξηάηαη: από ηε κάδα ηνπ αληηθεηκέλνπ (εθηαηηθή ηδηόηεηα) 200 g λεξνύ ρξεηάδνληαη 2πιάζηα πνζόηεηα ζεξκόηεηαο από 100 g λεξνύ γηα λα απμεζεί ε ζεξκνθξαζία θαηά 1 C από ην είδνο ηνπ πιηθνύ ηνπ αληηθεηκέλνπ 1000 J ζεξκόηεηαο απμάλνπλ ηε ζεξκνθξαζία 100 g άκκνπ θαηά 12 C, αιιά 100 g λεξνύ κόλν θαηά 2,4 C από ηε ζεξκνθξαζία νη ζεξκνρσξεηηθόηεηεο νξίδνληαη ζε ζπγθεθξηκέλε ζεξκνθξαζία (ζπλήζσο 298 Κ) 40 20

21 Εηδηθή ζεξκνρσξεηηθόηεηα ε θπζηθή ηθαλόηεηα κηαο νπζίαο λα απνξξνθά ζεξκόηεηα εθθξάδεηαη σο: εηδηθή ζεξκνρσξεηηθόηεηα, C s : ε ζεξκνρσξεηηθόηεηα 1 g κηαο νπζίαο C s = C/m (m = κάδα νπζίαο) κνλάδα κέηξεζεο: J/(g C) γξακκνκνξηαθή ζεξκνρσξεηηθόηεηα, C m : ε ζεξκνρσξεηηθόηεηα 1 mol κηαο νπζίαο C n = C/n (n = mol νπζίαο) κνλάδα κέηξεζεο: J/(mol C) C s (H 2 O) = 4,18 J/(g C) κεγάιε ηηκή: απνξξνθά κεγάιε πνζόηεηα ζεξκόηεηαο ρσξίο λα απμάλεη ηε ζεξκνθξαζία ηνπ ζε κεγάιν βαζκό ρξεζηκνπνηείηαη σο ςπθηηθό 41 Θεξκόηεηα πνπ απνξξνθάηαη από έλα ζώκα όηαλ έλα ζώκα κάδαο m ζεξκαίλεηαη θαη ε ζεξκνθξαζία ηνπ απμάλεηαη θαηά ΓΤ, ην πνζό ζεξκόηεηαο q πνπ απνξξνθά είλαη q = C DT αλ ε εηδηθή ζεξκνρσξεηηθόηεηα ηνπ πιηθνύ από ην νπνίν είλαη θηηαγκέλν ην ζώκα είλαη C s, ηέηνηα ώζηε C s = C/m ην πνζό ζεξκόηεηαο q πνπ απνξξνθάηαη από ην ζώκα είλαη q = m C s DT 42 21

22 Παξάδεηγκα. Πόζε ζεξκόηεηα απνξξνθάηαη από έλα ράιθηλν λόκηζκα κάδαο 3,10 g, αλ ε ζεξκνθξαζία ηνπ απμεζεί από -8,0 C ζε 37.0 C; δεδνκέλα: δεηνύκελα: T 1 = -8,0 C, T 2 = 37,0 C, m = 3,10 g q, J ζρέδην: ζρέζεηο: C s m, DT q = m C s ΓT q = m C s DT C s (Cu)= 0,385 J/g (από πίλαθα) ιύζε: ο ο ο ΓΤ = T2 -T1 = 37,0 C -(-8,0 C) = 45,0 C J q = m Cs ΓT = ( 3,10 g ) (0.385 ) ( 45.0 C ) = 537, g C q J έιεγρνο: νη κνλάδεο κέηξεζεο θαη ην πξόζεκν είλαη ζσζηά Θεξκηδνκεηξία θαη ζεξκηδόκεηξα ε κέηξεζε ηεο ζεξκόηεηαο πνπ απνξξνθάηαη ή εθιύεηαη από έλα ζύζηεκα θαηά ηε δηάξθεηα κηαο θπζηθνρεκηθήο κεηαβνιήο νλνκάδεηαη ζεξκηδνκεηξία ζηε ζεξκηδνκεηξία ρξεζηκνπνηνύληαη ηα ζεξκηδόκεηξα, πνπ είλαη δνρεία: κε κνλσκέλα ηνηρώκαηα παξεκπνδίδεηαη ε κεηαθνξά ζεξκόηεηαο κεηαμύ ηνπ δνρείνπ θαη ηνπ πεξηβάιινληόο κε ζεξκόκεηξν κπνξνύκε λα κεηξάκε κεηαβνιέο ζεξκνθξαζίαο κε κέζν κεηαθνξάο ζεξκόηεηαο, π.ρ. λεξό κέζα ηνπο ηνπνζεηνύληαη νη πξνο κειέηε νπζίεο 44 22

23 Μέηξεζε ηεο ζεξκόηεηαο κηαο αληίδξαζεο κε ζεξκηδνκεηξία ζε έλα ζεξκηδόκεηξν, ε ζεξκόηεηα πνπ εθιύεηαη (ή απνξξνθάηαη) ζε κηα δηαδηθαζία απνξξνθάηαη (ή πξνζθέξεηαη) από ην ζεξκηδόκεηξν θαη ην πεξηερόκελό ηνπ (π.ρ. λεξό) αξρή ιεηηνπξγίαο ζεξκηδόκεηξνπ ζε έλα ζεξκηδόκεηξν κε γλσζηή ζεξκνρσξεηηθόηεηα C ζεξκηδόκεηξν ζε κηα εμώζεξκε αληίδξαζε ε ζεξκόηεηα πνπ εθιύεηαη q αληίδξαζε απνξξνθάηαη από ην ζεξκηδόκεηξν σο q ζεξκηδόκεηξν q αληίδξαζε = q ζεξκηδόκεηξν κεηαβάιιεη ηε ζεξκνθξαζία ηνπ ζεξκηδνκέηξνπ θαηά ΓΤ q αληίδξαζε = q ζεξκηδόκεηξν = C ζεξκηδόκεηξν ΔΤ κεηξάκε ηελ ΓΤ θαη ππνινγίδνπκε ηε ζεξκόηεηα πνπ εθιύεηαη q αληίδξαζε 45 Παξάδεηγκα. Σε έλα ζεξκηδόκεηξν ζε κηα αληίδξαζε εθιύνληαη 80,0 kj θαη ε ζεξκνθξαζία ηνπ απμάλεηαη θαηά 8,40 o C. Γηα κηα άιιε αληίδξαζε ζην ίδην ζεξκηδόκεηξν, όηαλ ε ζεξκνθξαζία απμάλεηαη από 20,0 o C ζηνπο 25,2 o C, πόζε είλαη ε ζεξκόηεηα πνπ εθιύεηαη; δεδνκέλα: q αληίδξαζε Α = 80 kj, ΓΤ Α = 8,40 C, Τ Β1 = 20,0 C, Τ Β2 = 25,2 C δεηνύκελα: q αληίδξαζε Β, kj qθερμιδόμεηρο ζρέδην: q ανηίδραζη A = - qθερμιδόμεηρο C θεριμδόμεηρο = ΓΤ A q q ζεξκηδόκεηξν, DT B αληίδξαζε A C ζεξκηδόκεηξν ζρέζεηο: qθερμιδόμεη ρο = Cθεριμδόμεη ρο ΓT q = - q ανηίδραζη B θερμιδόμεηρο C ζεξκηδόκεηξν, DT B q ζεξκηδόκεηξν, DT B q αληίδξαζε B ιύζε: - qανηίδραζη Α = qθερμιδόμεη ρο = -(-80,0 J) = 80,0 J qθερμιδόμεηρο 80kJ o Cθεριμδόμεη ρο = = o = 9,52kJ/ C ΓΤ Α 8,40 C ΓΤb = TΒ2 -TΒ1 = 25,2 C - 20,0 C = kj = C qανηίδραζη Β = -qθερμιδόμεη ρο = ο 5,2 C qθερμιδόμεη ρο Cθερμιδόμεηρο ΓTB = 9,52 5,2 C = 50 kj ο -50 kj ο 46 23

24 Μέηξεζε ηεο ζεξκόηεηαο κηαο αληίδξαζεο κε ζεξκηδνκεηξία γηα έλα ζεξκηδόκεηξν κε κέζν κεηαθνξάο ζεξκόηεηαο έλα πδαηηθό δηάιπκα κάδαο m θαη εηδηθή ζεξκόηεηα C δηάιπκα ζε κηα εμώζεξκε αληίδξαζε : ε ζεξκόηεηα ηεο αληίδξαζε q αληίδξαζε απνξξνθάηαη από ην πδαηηθό δηάιπκα ηνπ ζεξκηδόκεηξνπ (q δηάιπκα ) θαη κεηαβάιεη ηε ζεξκνθξαζία ηνπ θαηά ΓΤ q αληίδξαζε = q δηάιπκα = C δηάιπκα m ΔΤ αλ ην δηάιπκα είλαη αξαηό, C δηάιπκα C λεξό = 4,18 J/(g ν C) ε εμίζσζε ηνπ ζεξκηδόκεηξνπ γίλεηαη q αληίδξαζε = q λεξό = C λεξό m λεξό ΔΤ 47 Υπνινγηζκόο ηεο ΔΗ αληίδξαζε ζε ζηαζεξή πίεζε ζεξκηδόκεηξα ζηαζεξήο πίεζεο νη αληηδξάζεηο πνπ ζπκβαίλνπλ ζε δηαιύκαηα ζε δνρεία αλνηρηά ζηελ αηκόζθαηξα είλαη ππό ζηαζεξή πίεζε γηα ηε κειέηε ηνπο ρξεζηκνπνηνύληαη ζεξκηδόκεηξα ζηαζεξήο πίεζεο εμίζσζε ζεξκηδόκεηξνπ q αληίδξαζε = q δηάιπκα = C δηάιπκα m ΔΤ επεηδή ε αληίδξαζε ζπκβαίλεη ππό ζηαζεξήπίεζε: q αληίδξαζε = q p = ΔH αληίδξαζε γηα λα ιάβνπκε ΓH αληίδξαζε αλά mol, δηαηξνύκε κε ηλ αξηζκό ησλ mol 48 24

25 Παξάδεηγκα. Αλ 0,158 g Mg αληηδξνύλ κε 100,0 ml δηαιύκαηνο HCl ζύκθσλα κε ηελ αληίδξαζε Mg(s) + 2 HCl(aq) MgCl 2 (aq) + H 2 (g) θαη ε ζεξκνθξαζία ηνπ δηαιύκαηνο κεηαβάιιεηαη από 25,6 ζε 32,8 C πνηα είλαη ε DH αληίδξαζε/mol Mg ηεο αληίδξαζεο; 0,158 g Mg, 100,0 ml δηάιπκα HCl, Τ 1 = 25,6 C, T 2 = 32,8 C, δεδνκέλα: C λεξό = 4,18 J/ C, d δηάιπκα = 1,00 g/ml δεηνύκελα: DH αληίδξαζε J/mol Mg ζρέδην: m, C s, DT q δηάιπκα q δηάιπκα q αληίδξαζε qδιάλσμα = m Cνερό ΓT q ανηίδραζη = - q διάλσμα qανηίδραζη ζρέζεηο: q δηάιπκα = m C λεξό DT, q αληίδξαζε = -q δηάιπκα ΓH = mol Mg ο ο ο ιύζε: 1,00g 2 ΓΤ = T2 -T1 = 32,8 C - 25,6 C = 7,2 C m = 100,0mL = 1,00 10 g 1mL qδιάλσμα = m Cνερό ΓT = 1,00 10 g 4,18 g C 7,2 C = 3, q = -q = J ανηίδραζη διάλσμα 1mol Mg -3 mol Mg = 0,158 g Mg = 6, mol 24,31 g3 qανηίδραζη - 3,0 10 J 5 ΓHανηίδραζη = = -3 = - 4,6 10 J/mol mol Mg 6, mol 2 J 3 J 49 Υπνινγηζκόο ηεο ΔU αληίδξαζε ζε ζηαζεξό όγθν ζεξκηδόκεηξα βόκβαο γηα ηε ζεξκνρεκηθή κειέηε ησλ αληηδξάζεσλ κε αέξηα (π.ρ. αληηδξάζεηο θαύζεο) ρξεζηκνπνηνύληαη ζεξκηδόκεηξα ζηαζεξνύ όγθνπ ή βόκβαο εξκεηηθά θιεηζηό κεηαιιηθό δνρείν εμίζσζε ζεξκηδόκεηξνπ q αληίδξαζε = q ζεξκηδόκεηξν = C ζεξκηδόκεηξν ΔΤ επεηδή ε αληίδξαζε ζπκβαίλεη ππό ζηαζεξό όγθν (εξκεηηθά θιεηζηό δνρείν): q αληίδξαζε = ΔU αληίδξαζε 50 25

26 Παξάδεηγκα. Όηαλ ζε έλα ζεξκηδόκεηξν βόκβαο θαίγνληαη 1,010 g δάραξεο C 12 H 22 O 11, ε ζεξκνθξαζία κεηαβάιιεηαη από 24,92 ζε C. Αλ C ζεξκηδόκεηξν = 4,90 kj/ C, πνηα είλαη ε DU ηεο αληίδξαζεο γηα 1 mole δάραξεο; δεδνκέλα: 1,010 g C 12 H 22 O 11, T 1 = 24,92 C, T 2 = 28,33 C, C ζεξκηδόκεηξν = 4,90 kj/ C δεηνύκελα: ΓU αληίδξαζε, kj/mol ζρέδην: C ζεξκηδόκεηξν, DT q = C q ζεξκηδόκεηξν θερμιδόμεη ρο θεριμδόμεη ρο ΓT q ζεξκηδόκεηξν q αληίδξαζε q = - ζρέζεηο: q ζεξκηδόκεηξν = C ζεξκηδόκεηξν DT =, q αληίδξαζε = -q ζεξκηδόκεηξν q 1 mol C 12 H 22 O 11 = 342,3 g Γ U = mol C12H ο ο ο ιύζε: ΓΤ = T -T = 28,33 C - 24,92 C 3,41 C 2 1 = kj = C ανηίδραζη q θερμιδόμεηρο qθερμιδόμεη ρο Cθερμιδόμεηρο ΓT = 4,90 3,41 C = 16 7, qανηίδραζη = -qθερμιδόμεη ρο = -16,7 kj 1mol C12H22O11-3 mol C12 H22O11 = 0,10 g C12H22O11 = 2, mol 342,3 g qανηίδραζη -16,7 kj 3 ΓUανηίδραζη = = -3 = - 5,66 10 kj/mol mol C12H22O11 2, mol kj ανηίδραζη 22 O Ελζαιπία κηα θαηαζηαηηθή ζπλάξηεζε ε ελζαιπία Η ελόο ζπζηήκαηνο δελ κπνξεί λα πξνζδηνξηζηεί ε κεηαβνιή ελζαιπίαο ΓΗ ελόο ζπζηήκαηνο ζε κηα δηαδηθαζία κπνξεί λα πξνζδηνξηζηεί ΔΗ = Η ηειηθή Η αξρηθή ε ΓΗ εμαξηάηαη κόλν από ηηο Η αξρηθή θαη Η ηειηθή ηνπ ζπζηήκαηνο είλαη θαηαζηαηηθή ηδηόηεηα ε ηηκή ηεο εμαξηάηαη κόλν ηελ αξρηθή θαη ηειηθή θαηάζηαζε ηνπ ζπζηήκαηνο θαη όρη από ηε δηαδξνκή πνπ αθνινπζείηαη 52 26

27 Η ελζαιπία είλαη θαηαζηαηηθή ζπλάξηεζε ε ελζαιπία είλαη θαηαζηαηηθή ηδηόηεηα ε ΓΗ γηα ηε κεηαηξνπή ηνπ λεξνύ από ζηεξεό (πάγνο) ζε αηκό (εμάρλσζε), εμαξηάηαη κόλν από ηελ αξρηθή θαη ηελ ηειηθή θαηάζηαζε θαη όρη από ηε δηαδξνκή κεηαμύ ησλ δύν θαηαζηάζεσλ δειαδή, ΓΗ εμάρλσζε = ΓΗ ηήμε +ΓH εμάηκηζε 53 Ελζαιπία θαη εζσηεξηθή ελέξγεηα ε ελζαιπία Η ελόο ζπζηήκαηνο είλαη H = U + PV γηα κηα αληίδξαζε ππό ζηαζεξή πίεζε P γηα ηελ αξρηθή (i) θαη ηειηθή (f) θαηάζηαζε ηζρύεη: H = U + PV ΓΗ = Η f H i ΓΗ= U f +P V f U i +P V i ΓΗ = U f U i + P (V f V i ) ΓΗ = ΓU f + P ΓV f ΔU = ΔΗ P ΔV P ΔV : ε ελέξγεηα πνπ απαηηείηαη λα θαηαβιεζεί ζαλ έξγν γηα λα κεηαβιεζεί ν όγθνο ηνπ ζπζηήκαηνο θαηά ΓV έξγν πίεζεο-όγθνπ 54 27

28 Έξγν πίεζεο-όγθνπ ζε κηα αληίδξαζε ππό ζηαζεξή πίεζε P όπνπ παξάγνληαη αέξηα ε κεηαβνιή ηνπ όγθνπ είλαη DV > 0 κηα εμσηεξηθή πίεζε P ην ζύζηεκα παξάγεη έξγν πξνο ην πεξηβάιινλ (w < 0) w = P ΔV w = ελέξγεηα πνπ απαηηείηαη λα θαηαβιεζεί ζαλ έξγν γηα λα κεηαβιεζεί ν όγθνο ηνπ ζπζηήκαηνο θαηά ΓV ελάληηα ζε κηα εμσηεξηθή πίεζε P ρξήζηκε κεηαηξνπή κνλάδσλ κέηξεζεο: 101,3 J = 1 atm L 55 Παξάδεηγκα. Πόζν έξγν ρξεηάδεηαη γηα λα θνπζθώζεη έλα κπαιόλη από όγθν 0,100 L ζε 1,85 L ελάληηα ζε εμσηεξηθή πίεζε 1,00 atm; δεδνκέλα: δεηνύκελα: ζρέδην: ζρέζεηο: ιύζε: έιεγρνο: V 1 =0,100 L, V 2 =1.85 L, P=1,00 atm w, J 101,3 J = 1 atm L Γ 1 P, DV w w = - P ΓV V = V2 -V = 1,85L-0,100L = 1,75L ( 1,00 atm) ( 1,75 L) = -1, 75 atm L w = -P ΓV = - 101,3 J -1, 75 atm L = -177 J 1atm L νη κνλάδεο είλαη ζσζηέο θαη ην απνηέιεζκα είλαη ινγηθό 28

29 Μεηαθνξά ελέξγεηαο κεηαμύ ζπζηήκαηνο-πεξηβάιινληνο από ηε ζρέζε ΓU = ΓΗ P ΓV πξνθύπηεη όηη: ε εζσηεξηθή ελέξγεηα ελόο ζπζηήκαηνο κεηαβάιιεηαη: είηε κε κεηαθνξά ζεξκόηεηαο ΔΗ = q p q = m C s x ΓT είηε κε παξαγσγή έξγνπ w w = P ΓV 57 Μέηξεζε ηεο ζεξκόηεηαο κηαο αληίδξαζεο Νόκνο ηνπ Hess Πξόηππεο ελζαιπίεο ζρεκαηηζκνύ 29

30 Θεξκόηεηα αληίδξαζεο Νόκνο ηνπ Hess λόκνο ηνπ Hess: αλ κηα ρεκηθή εμίζσζε κηαο αληίδξαζεο κπνξεί λα εθθξαζηεί σο ζπλδπαζκόο 2 ή πεξηζζνηέξσλ ζηαδίσλ, ηόηε ε ΓΗ αληίδξαζε είλαη ην άζξνηζκα ησλ ΓΗ ησλ επηκέξνπο ζηαδίσλ π.ρ. ε Α + 2Β 2D ΓΗ 1 (3) κπνξεί λα πεξηγξαθεί σο ζπλδπαζκόο ησλ ζηαδίσλ (1) θαη (2) γηα ηηο νπνίεο ηζρύεη Α + 2Β C ΓΗ 1 (1) C 2D ΓΗ 2 (2) Α + 2Β 2D ΓΗ 3 = ΓΗ 1 + ΓΗ 2 (3) γηα ην ζρεκαηηζκό ησλ 2D κπνξνύκε λα αθνινπζήζνπκε: είηε ηελ πνξεία ηεο (3) είηε ηελ ζπλδπαζκέλε πνξεία ησλ (1) θαη (2) 59 Εθαξκνγή ηνπ λόκνπ ηνπ Hess Γίλνληαη νη παξαθάησ ζεξκνρεκηθέο εμηζώζεηο: 2 NO(g) + O 2 (g) 2 NO 2 (g) DH = 173 kj 2 N 2 (g) + 5 O 2 (g) + 2 H 2 O(l) 4 HNO 3 (aq) DH = 255 kj N 2 (g) + O 2 (g) 2 NO(g) DH = +181 kj Πνηα είλαη ε DH αληίδξαζε ηεο αληίδξαζεο 3 NO 2 (g) + H 2 O(l) 2 HNO 3 (aq) + NO(g) DH =? 1. πνιιαπιαζηάδνπκε θάζε ζεξκνρεκηθή εμίζσζε κε θαηάιιεινπο ζπληειεζηέο ώζηε λα πξνθύπηνπλ νη ζπληειεζηέο ησλ αληηδξώλησλ θαη πξντόλησλ ηεο δεηνύκελεο εμίζσζεο: [2 NO 2 (g) 2 NO(g) + O 2 (g)] 1.5 DH = 1.5 (+173 kj) [2 N 2 (g) + 5 O 2 (g) + 2 H 2 O(l) 4 HNO 3 (aq)] 0.5DH = 0.5 (-255 kj) [2 NO(g) N 2 (g) + O 2 (g)] DH = 181 kj 60 30

31 Εθαξκνγή ηνπ λόκνπ ηνπ Hess Γίλνληαη νη παξαθάησ ζεξκνρεκηθέο εμηζώζεηο: 2 NO(g) + O 2 (g) 2 NO 2 (g) DH = 173 kj 2 N 2 (g) + 5 O 2 (g) + 2 H 2 O(l) 4 HNO 3 (aq) DH = 255 kj N 2 (g) + O 2 (g) 2 NO(g) DH = +181 kj Πνηα είλαη ε DH αληίδξαζε ηεο αληίδξαζεο 3 NO 2 (g) + H 2 O(l) 2 HNO 3 (aq) + NO(g) DH = 2. ζπλδπάδνπκε θαηάιιεια ηηο ζεξκνρεκηθέο εμηζώζεηο ώζηε όηαλ πξνζηίζεληαη λα δίλνπλ ηε δεηνύκελε εμίζσζε: [3 NO 2 (g) 3 NO(g) + 1,5 O 2 (g)] DH = ( kj) [1 N 2 (g) + 2,5 O 2 (g) + 1 H 2 O(l) 2 HNO 3 (aq)] DH = ( 128 kj) [2 NO(g) N 2 (g) + O 2 (g)] DH = 181 kj 3 NO 2 (g) + H 2 O(l) 2 HNO 3 (aq) + NO(g) DH = 49 kj 61 Πξόηππε θαηάζηαζε σο πξόηππε θαηάζηαζε νξίδεηαη ε θαηάζηαζε ελόο πιηθνύ ζε ζπγθεθξηκέλεο ζπλζήθεο αέξηα: ζε πίεζε 1 atm θαζαξά ζηεξεά ή πγξά: ζε πίεζε 1 atm θαη θαζνξηζκέλε ζεξκνθξαζία (ζπλήζσο 25 o C) δηαιύκαηα: κε ζπγθέληξσζε 1 M νη πξόηππεο ζπλζήθεο παξηζηάλνληαη κε ην ζύκβνιν ηνπ βαζκνύ ( ν ) όηαλ όια ηα αληηδξώληα θαη πξντόληα κηαο αληίδξαζεο βξίζθνληαη ζηηο πξόηππεο θαηαζηάζεηο ηνπο, ε ΓΗ αληίδξαζε νλνκάδεηαη πξόηππε κεηαβνιή ελζαιπίαο, ΔH αληίδξαζε 62 31

32 Πξόηππε ελζαιπία ζρεκαηηζκνύ κηαο νπζίαο, ΔH f πξόηππε ελζαιπία ζρεκαηηζκνύ κηαο νπζίαο, ΔH f, είλαη ε κεηαβνιή ελζαιπίαο ηεο αληίδξαζεο ζρεκαηηζκνύ 1 mol κηαο θαζαξήο νπζίαο ζηελ πξόηππε θαηάζηαζή ηεο από ηα ζηνηρεία ηεο ηα ζηνηρεία βξίζθνληαη ζηελ πξόηππε θαηάζηαζή ηνπο θαη ζηελ πην θαζαξή κνξθή ηνπο π.ρ. γηα ην Ο, ζηνπο 25 ν C θαη πίεζε 1 atm: Ο 2 (g) γηα ζηνηρεία ζε πξόηππε θαηάζηαζε: ΔH f = 0 kj/mol εμ νξηζκνύ ε πην ζηαζεξή θαηάζηαζε ελόο ζηνηρείνπ κπνξεί λα βξεζεί από πίλαθεο κε πξόηππεο ελζαιπίεο ζρεκαηηζκνύ 63 Παξάδεηγκα. Πνηα είλαη ε αληίδξαζε ζρεκαηηζκνύ ηνπ CO(g); ε αληίδξαζε ζρεκαηηζκνύ είλαη ε αληίδξαζε κεηαμύ ησλ ζηνηρείσλ ηεο έλσζεο, δειαδή C θαη O C + O CO(g) ηα ζηνηρεία βξίζθνληαη ζηηο πξόηππεο θαηαζηάζεηο ηνπο ν ζηεξεόο C κπνξεί λα βξίζθεηαη ζε δηάθνξεο θαηαζηάζεηο, αιιά ε θαηάζηαζε κε DH f = 0 είλαη ν γξαθίηεο (πίλαθαο) ε πξόηππε θαηάζηαζε ηνπ νμπγόλνπ είλαη ην Ο 2 (g) C(s, γραθίηης) + O 2 (g) CO(g) ε εμίζσζε πξέπεη λα είλαη ηζνζηαζκηζκέλε, αιιά ν ζπληειεζηήο ηνπ πξντόληνο πξέπεη λα είλαη 1 ρξεζηκνπνηνύκε θαηάιιεινπο ζπληειεζηέο ζηα αληηδξώληα ρσξίο λα κεηαβάιινπκε ην ζπληειεζηή ηνπ πξντόληνο C(s, γραθίηης) + ½ O 2 (g) CO(g) 64 32

33 Πξόηππε ελζαιπία αληίδξαζεο, ΔH αληίδξαζε θάζε αληίδξαζε κπνξεί λα γξαθεί σο άζξνηζκα αληηδξάζεσλ ζρεκαηηζκνύ (ή αληίζηξνθσλ αληηδξάζεσλ ζρεκαηηζκνύ) ησλ αληηδξώλησλ θαη πξντόλησλ επνκέλσο, ε ΓH αληίδξαζε είλαη ην αιγεβξηθό άζξνηζκα ησλ ΓH f ησλ αληηδξώλησλ θαη πξντόλησλ ΔH αληίδξαζε = Σ n ΔH f (πξντόληα) - Σ m ΔH f (αληηδξώληα) n θαη m είλαη νη αξηζκεηηθνί ζπληειεζηέο ησλ νπζηώλ ηεο ρεκηθήο εμίζσζεο 65 Παξάδεηγκα. Πνηα είλαη ε ΔΗ ν αληίδξαζε ηεο αληίδξαζεο 2 C 2 H 2 (g) + 5 O 2 (g) 4 CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) 1. γξάθνπκε αληηδξάζεηο ζρεκαηηζκνύ γηα θάζε έλα από ηα αληηδξώληα θαη πξντόληα ηεο αληίδξαζεο θαη ππνινγίδνπκε ηελ DH f γηα θάζε έλα από απηά 2 C(s, γξαθ.) + H 2 (g) C 2 H 2 (g) ΓH f = +227,4 kj/mol C(s, γραφ.) + O 2 (g) CO 2 (g) H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O(l) ΓH f = -393,5 kj/mol ΓH f = -285,8 kj/mol 66 33

34 Παξάδεηγκα. Πνηα είλαη ε ΔΗ ν αληίδξαζε ηεο αληίδξαζεο 2 C 2 H 2 (g) + 5 O 2 (g) 4 CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) 2. εθαξκόδνπκε ην λόκν ηνπ Hess θαη ζπλδπάδνπκε θαηάιιεια ηηο αληηδξάζεηο ώζηε όηαλ πξνζηίζεληαη λα δίλνπλ ηελ ηειηθή αληίδξαζε 2 C 2 H 2 (g) 4 C(s) + 2 H 2 (g) ΓH = 2(-227,4) kj 4 C(s) + 4 O 2 (g) 4CO 2 (g) ΓH = 4(-393,5) kj 2 H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O(l) ΓH = 2(-285,8) kj 2 C 2 H 2 (g) + 5 O 2 (g) 4 CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) ΓH ν = -2600,4 kj 67 Παξάδεηγκα. Πνηα είλαη ε ΔΗ ν αληίδξαζε ηεο 2 C 2 H 2 (g) + 5 O 2 (g) 4 CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) ε δηαδηθαζία κπνξεί λα απινπνηεζεί ρξεζηκνπνηώληαο ηνλ ηύπν DH αληίδξαζε = S n DH f πξντόληα - S m DH f αληηδξώληα DΗ ν αληίδξαζε = [(4 DH CO2 + 2 DH H2O ) (2 DH C2H2 + 5 DH O2 )] DH ν αληίδξαζε = [(4 (-393.5) + 2 (-285.8)) (2 (+227.4) + 5 (0))] DH ν αληίδξαζε = kj 68 34

35 Παξάδεηγκα. Πόζα kg νθηαλίνπ πξέπεη λα θανύλ ώζηε λα παξαρζνύλ 1, kj ελέξγεηαο; δεδνκέλα: 1, kj δεηνύκελα: κάδα νθηαλίνπ, kg ζρέδην: ζρέζεηο: 1 mol νθηαλίνπ (C 8 H 18 ) = 114,2 g/mol, 1 kg = 1000 g ΓH DH f DH αληίδξαζε ανηίδραζη = ΣnΓH kj f προϊόνηα - mol C 8 H 18 g C 8 H 18 kg C 8 H 18 ΣmΓH 114,2 g 1 mol f ανηιδρώνηα 1kg 1000 g αληίδξαζε θαύζεο ηνπ νθηαλίνπ (C 8 H 18 ) : C 8 H 18 (l) + 25/2 O 2 (g) 8 CO 2 (g) + 9 H 2 O(g) 69 Παξάδεηγκα. Πόζα kg νθηαλίνπ πξέπεη λα θανύλ ώζηε λα παξαρζνύλ 1, kj ελέξγεηαο; ιύζε: Οη ηηκέο ησλ DH f ησλ αληηδξώλησλ θαη πξντόλησλ βξίζθνληαη από πίλαθεο ΓH = ανηίδραζη f f 25 [ 8( ΓH CO ) + 9( ΓH H O) ] [( ΓH C H ) + ( ΓH O )] [ ] 25 = [ 8( - 393,5 kj) + 9( - 241,8 kj) ]- (- 250,1 kj) + ( 0 kj) = = -5074,1 kj f = ΣnΓH προϊόνηα- ΣnΓH ανηιδρώνηα = 2 1mol C H έλσζε DH f, kj/mol C 8 H 18 (l) O 2 (g) 0 CO 2 (g) H 2 O(g) mc 8 H 18 = -1,0 10 kj = 2,3-5074,1kJ 1mol C8H g f 2 f 8 114,22 g kg 2 f kgc H