Transcript Kafli_6_Chang

Varmafræði
Kafli 6
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Orka felur í sér möguleika til að vinna vinnu
•
Geislaorka kemur frá sólinni og er
orkuuppspretta jarðar
•
Varmaorka felst í hreyfingum atóma og sameinda
•
Efnaorka felst í efnatengjum
•
Kjarnorka er bundin í atómkjörnum
•
Stöðuorka felst í staðsetningu hlutar
6.1
Orkubreytingar í efnahvörfum
Varmi er flutningur varmaorku milli tveggja misheitra hluta.
Hitastig er mælikvarði á varmaorku.
Hitastig = Varmaorka
900C
400C
Meiri varmaorka
6.2
Varmafræði fæst við varmabreytingar (flutning varmaorku) í
efnabreytingum.
“Kerfið” er sá hluti alheimsins sem við erum að athuga.
UMHVERFI
KERFI
opið
Opið fyrir:
massa- & orkubr.
lokað
orkubreytingum
einangrað
engum breytingum
6.2
Útvermin (exothermic) breyting/efnahvarf gefur frá sér
varma, þ.e. varmaorka flyst frá kerfinu til umhverfisins.
2H2 (g) + O2 (g)
H2O (g)
2H2O (l) + orka
H2O (l) + orka
Innvermin (endothermic) breyting/efnahvarf þarf varma frá
umhverfinu til að geta átt sér stað.
energy + 2HgO (s)
energy + H2O (s)
2Hg (l) + O2 (g)
H2O (l)
6.2
Útvermið
Innvermið
6.2
Varmafræði
Ástandsstærðir (state functions) eru eiginleikar sem eru
einungis háðir upphafs- og lokaástandi kerfisins, ekki hvernig
því var náð.
orka , þrýstingur, rúmmál, hitastig
DE = Eloka - Eupphafs
DP = Ploka - Pupphafs
DV = Vloka - Vupphafs
DT = Tloka - Tupphafs
Stöðuorka göngumanns 1 og
göngumanns 2 er sú sama þrátt fyrir
að þeir hafi farið mjög ólíkar leiðir.
6.3
Fyrsta lögmál varmafræðinnar – orka
getur breyst úr einu formi í annað, en getur
hvorki myndast né eyðst.
DEkerfi + DEumhverfi = 0
eða
DEkerfi = -DEumhverfi
C3H8 + 5O2
3CO2 + 4H2O
Útvermið efnahvarf!
Efnaorka sem tapast við bruna = Orka sem flyst til umhverfisins
kerfi
umhverfi
6.3
Fyrsta lögmálið getur tekið annað form fyrir DEkerfi
DE = q + w
DE er breytingin í innri orku kerfis
q er varmaflutningur milli kerfisins og umhverfisins
w er vinna unnin af kerfinu eða af umhverfinu á kerfið
w = -PDV þegar gas þenst út. Ytri þrýstingur þrýstir á móti
6.3
Vinna unnin á kerfið
w = Fd
w = -P DV
DV > 0
-PDV < 0
F
P x V = 2 x d3 = Fd = w
d
wkerfi < 0
Vinna er
ekki
ástandsstærð!
Dw = wloka - wupphafs
upphafs
loka
6.3
Sýni af köfnunarefnisgasi þenst út og eykur rúmmál sitt úr
1,6 L í 5,4 L við fast hitastig. Reiknið út vinnuna (í Joule) ef
gasið þenst út og það er (a) lofttæmi fyrir utan ílátið (b)
þrýstingur fyrir utan ílátið sem nemur 3,7 atm.
w = -P DV
(a)
DV = 5,4 L – 1,6 L = 3,8 L
P = 0 atm
W = -0 atm x 3,8 L = 0 L•atm = 0 joule
(b)
DV = 5,4 L – 1,6 L = 3,8 L
P = 3,7 atm
w = -3,7 atm x 3,8 L = -14,1 L•atm
w = -14,1 L•atm x
101,3 J = -1430 J
1L•atm
6.3
Efnafræði í daglegu lífi: Snjóframleiðsla
DE = q + w
q=0
w < 0, DE < 0
DE = CDT
DT < 0, SNJÓR!
Entalpía (hvarfavarmi) og fyrsta lögmál varmafræðinnar
DE = q + w
Ef þrýstingur helst óbreyttur:
q = DH og w = -PDV
DE = DH - PDV
DH = DE + PDV
6.4
Entalpía (hvarfavarmi) (H) lýsir varmaflutningi inn í eða út úr
kerfi í ferli sem á sér stað við fastan þrýsting.
DH = H (myndefni) – H (hvarfefni)
DH = gefinn/þeginn varmi í efnahvarfi við fastan þrýsting
Hmyndefni < Hhvarfefni
DH < 0
Hmyndefni > Hhvarfefni
DH > 0
6.4
Að skrifa varmafræðijöfnur
Er DH < 0 eða > 0?
Kerfið fær varma
Innvermið
DH > 0
6,01 kJ flytjast til kerfisins fyrir hvert 1 mól af ís sem
bráðnar við 00C og 1 atm.
H2O (s)
H2O (l)
DH = 6,01 kJ
6.4
Að skrifa varmafræðijöfnur
Er DH < 0 eða > 0?
Kerfið gefur frá sér varma
Útvermið
DH < 0
890,4 kJ losna úr kerfinu fyrir hvert 1 mól af metani
sem brennt er við 250C og 1 atm.
CH4 (g) + 2O2 (g)
CO2 (g) + 2H2O (l) DH = -890,4 kJ
6.4
Að skrifa varmafræðijöfnur
•
Stuðlar (mólhlutföll) í efnajöfnu tákna mólfjölda
H2O (s)
•
DH = 6,01 kJ
Ef hvarfi er snúið við breytist formerki DH:
H2O (l)
•
H2O (l)
H2O (s)
DH = -6,01 kJ
Ef báðar hliðar jöfnunnar eru margfaldaðar með stuðli n
þarf að margfalda DH með sama stuðli n.
2H2O (s)
2H2O (l)
DH = 2 x 6,01 = 12,0 kJ
6.4
Að skrifa varmafræðijöfnur
•
Í varmafræðijöfnum er mikilvægt að taka fram
ástandsform allra efna (s, l, g eða aq).
H2O (s)
H2O (l)
DH = 6,01 kJ
H2O (l)
H2O (g)
DH = 44,0 kJ
Hve mikill varmi losnar þegar 266 g af hvítum fosfór (P4)
brenna í súrefni?
P4 (s) + 5O2 (g)
266 g P4 x
P4O10 (s)
1 mól P4
123,9 g P4
x
DH = -3013 kJ
3013 kJ
= 6470 kJ
1 mól P4
6.4
Samanburður á DH og DE
2Na (s) + 2H2O (l)
DE = DH - PDV
2NaOH (aq) + H2 (g) DH = -367,5 kJ/mól
Við 25 0C og 1 atm: rúmmál 1 móls H2 = 24,5 L
PDV = 1 atm x 24,5 L = 2,5 kJ
DE = -367,5 kJ/mól – 2,5 kJ/mól = -370,0 kJ/mól
6.4
Eðlisvarmi (specific heat) (s) efnis er það varmamagn (q)
sem þarf til að hækka hitastig eins gramms af efninu um eina
gráðu á Celsíus.
Varmarýmd (heat capacity) (C) efnis er það varmamagn (q)
sem þarf til að hækka hitastig ákveðins magns (m) af efninu
um eina gráðu á Celsius.
C = ms
Varmi, (q) áunninn eða tapaður:
q = msDt
q = CDt
Dt = tloka - tupphafs
6.5
Hve mikill varmi losnar þegar 869 g járnstöng kólnar úr
940C niður í 50C?
s járns = 0,444 J/g • 0C
Dt = tloka – tupphafs = 50C – 940C = -890C
q = msDt = 869 g x 0,444 J/g • 0C x –890C = -34.000 J
6.5
Varmamælir – fast rúmmál (Constant-Volume Calorimetry)
qkerfi = qvatn + qmælir + qhvarf
qkerfi = 0
qhvarf = - (qvatn + qmælir)
qvatn = msDt
qmælir = CmælirDt
Hvarf við fast V
DH = qhvarf
DH ~ qhvarf
Varmi kemst hvorki inn né út!
6.5
Varmamælir – fastur þrýstingur (Constant-Pressure Calorimetry)
qkerfi = qvatn + qmælir + qhvarf
qkerfi = 0
qhvarf = - (qvatn + qmælir)
qvatn = msDt
qmælir = CmælirDt
Hvarf við fast P
DH = qhvarf
Varmi kemst hvorki inn né út!
6.5
6.5
Efnafræði í daglegu lífi:
Orka úr fæðu og öðrum efnum
C6H12O6 (s) + 6O2 (g)
6CO2 (g) + 6H2O (l) DH = -2801 kJ/mól
1 cal = 4,184 J
1 Cal = 1000 cal = 4184 J
Höfum séð að DH er skilgreint sem
DHhvarf = Hmyndefna – Hhvarfefna
… en það er ekki hægt að mæla H!
Hvernig eru tölurnar fengnar (við hvað er miðað)?
Ákveðið var að nota staðalmyndunarvarma (standard
enthalpy of formation) (DH0f) sem viðmiðun fyrir
entalpíureikninga. (Afstæð viðmiðun).
Staðalmyndunarvarmi (DH0f) er sú varmabreyting sem á
sér stað þegar eitt mól efnasambands myndast úr
frumefnum sínum við 1 atm þrýsting.
DH0f sérhvers frumefnis á stöðugasta formi þess er núll.
DH0f (O2) = 0
DH0f (O3) = 142 kJ/mól
DH0f (C, grafít) = 0
DH0f (C, demantur) = 1,90 kJ/mól
6.6
6.6
Staðalvarmi efnahvarfs (DH0hvarf) er entalpíubreyting
efnahvarfs við 1 atm.
aA + bB
cC + dD
DH0hvarf = [ cDH0f (C) + dDH0f (D) ] - [ aDH0f (A) + bDH0f (B) ]
DH0hvarf =S DH0f (myndefna)- S DH0f (hvarfefna)
Lögmál Hess: Entalpíubreyting í efnahvörfum er sú sama
hvort sem efnahvarfið gerist í einu skrefi eða nokkrum
skrefum (þ.e. óháð þeirri leið sem farin er).
(Entalpía er ástandsstærð, þ.e. það skiptir ekki máli hvaða
leið er farin til að ná lokaástandi.)
Reiknið staðalmyndunarvarma CS2 (l) að gefnum
eftirfarandi upplýsingum:
0
C(grafít) + O2 (g)
CO2 (g) DHhvarf
= -393,5 kJ
S(rhombic) + O2 (g)
SO2 (g)
DH0hvarf = -296,1 kJ
CO2 (g) + 2SO2 (g) DH0hvarf = -1072 kJ
CS2(l) + 3O2 (g)
1. Skrifa hvarfið fyrir myndun CS2.
C(grafít)
+ 2S(rhombic)
CS2 (l)
2. Leggja saman hvörfin þannig að út komi lokahvarfið.
6.6
C(grafít) + O2 (g)
2S(rhombic) + 2O2 (g)
CO2 (g) DH0rxn = -393,5 kJ
2SO2 (g) DH0 hvarf = -296,1x2 kJ
CO2(g) + 2SO2 (g)
CS2 (l) + 3O2 (g)
DH0 hvarf = +1072 kJ
C(grafít) + 2S(rhombic)
CS2 (l)
DH0 hvarf = -393,5 + (2x-296,1) + 1072 = 86,3 kJ
Bensen (C6H6) brennur í súrefni og þá myndast koldíoxíð
og vatn (l). Hve mikill varmi losnar á hvert mól af benseni
sem brennur? Staðalmyndunarvarmi bensens er 49,04
kJ/mól.
2C6H6 (l) + 15O2 (g)
12CO2 (g) + 6H2O (l)
DH0hvarf =S nDH0f (myndefni)- S mDHf0 (hvarfefni)
DH0hvarf = [ 12DH0f (CO2) + 6DH0f (H2O)] - [ 2DH0f (C6H6)]
DH0hvarf = [ 12x–393,5 + 6x–187,6 ] – [ 2x49,04 ] = -5946 kJ
-5946 kJ
= - 2973 kJ/mól C6H6
2 mól
6.6
The enthalpy of solution (DHsoln) is the heat generated or
absorbed when a certain amount of solute dissolves in a
certain amount of solvent.
DHsoln = Hsoln - Hcomponents
Which substance(s) could be
used for melting ice?
Which substance(s) could be
used for a cold pack?
6.7
The Solution Process for NaCl
DHsoln = Step 1 + Step 2 = 788 – 784 = 4 kJ/mol
6.7