Transcript ThermodynamicI พลังงานกับการเปลี่ยนแปลง

Thermodynamic I
พลังงานกับการเปลี่ยนแปลง
Heat Transfer
ระหว่าง
System กับ Surroundings
ระบบ สิ่งแวดล้อม
Exothermic
process
ระบบ
Chemical
Change
สิ่งแวดล้อม
Endothermic
process
Physical
Change
-การเปลี่ยนสถานะ
-การขยายหรือ
หดตัวของแก๊ส
Energy Transfer in physical processes
นา้ ได้รบั พลังงานความ
ร้อนจากดวงอาทิตย์
ทาให้เกิดการระเหยจาก
ของเหลวกลายเป็ นไอ
ไอนา้ กลัน่ ตัวเป็ นของเหลว
จะเกิดการคายความร้อน
จากไอนา้ ให้แก่บรรยากาศ
Hot pack evolves
heat by the
crystallization
of sodium acetate
Na+(aq) + CH3COO-(aq) +3H2O(l)
CH3COONa.3H2O(s)
Energy Transfer in a chemical reaction
2Zn
+ O2
Zn + Na2O2
Na2O2 + 2 H2O2
2ZnO
Na2O + ZnO
NaOH + H2O2
Energy Transfer in Nature
Energy in atmosphere is converted
to mechanical energy through wind
ระบบกับสิ่งแวดล้อม
ระบบ(system)
= Reaction mixture
สิ่งแวดล้อม (surroundings)
และอื่นๆ
= flask , box , air
ระบบ(system)-reactant
-product , solvent, catalyst
1. ระบบแยกตัวอิสระ (Isolated system)
2.ระบบปิ ด(close system)
3.ระบบเปิ ด ( open system)
ความร้อน (Heat)
= Energy
transferred from one object
to another because of a difference in
temperature
การละลาย CaCl2
จะคายความร้อน
o
….. C
นา้ จะมีอณ
ุ หภูมสิ งู ขึน้
Specific heat capacity = ความจุความร้อนจาเพาะ
คือ ปริมาณความร้อนที่ใช้สาหรับเพิ่มอุณหภูมขิ อง
สารชนิดหนึง่ ๆปริมาณ 1 g ขึน้ 1 K
หน่วย = J/g.K
มวลสาร(g)
q =
ความร้อน
J
CmT
Tfinal - Tinitial
Specific heat capacity
J/g.K
Specific heat capacity of water = 4.484 J/g.K
Molar heat capacity of water = 75.40 J/mol.K
ตัวอย่าง 1 จงคานวณปริมาณความร้อนที่ใช้สาหรับ
เพิ่มอุณหภูมโิ ลหะทองแดง 10.0 g จาก 25o C
เป็ น 325o C
Specific heat capacity of Cu = 0.385 J/g.K
q = 0.385 J.g-1 K-1  10.0 g  (598-298 ) K
= + 1160 J
ตัวอย่างที่ 2 แผ่นเหล็กหนัก 88.5 g อุณหภูมิ 78.8 oC
จุม่ ในบีกเกอร์นา้ 244 g อุณหภูมิ 18.8 oC จงคานวณ
อุณหภูมสิ งู สุดของนา้ ที่วดั ได้หลังการจุม่ แผ่นเหล็ก
สมมติว่าไม่มกี ารถ่ายเทความร้อนให้แก่บีกเกอร์และสิ่งแวดล้อม
qmetal + qwater = 0
50 mLCFemFe(Tf -Ti)Fe
+ Cwater mwater(Tf-Ti)water = 0
0.449 x 88.5 x (Tf -78.8) + 4.184 x 244 (Tf -18.8) = 0
Tf = 21.1o C(K)
Energy and Change of State
ตัวอย่าง 3 จงคานวณปริมาณความร้อนที่ใช้ในการ
เปลี่ยนนา้ แข็ง 500 g ที่ -50.0o C เป็ นไอนา้ ที่
o
200 C
Hfus = 333 J.g-1
Hvap = 2256 J.g-1
qtotal = q1 + q2 + q3 + q4 + q5
-50→0
s→l
0→100
l→g
100 →200
q1 = 2.06J.g-1K-1  500 g  (273.2 - 223.2) K
q2 = 333 J.g-1  500 g
q3 = 4.184J.g-1K-1  500 g  (373.2-273.2) K
q4 = 2256J.g-1  500 g
q5 = 1.84J.g-1K-1  500 g  (473.2-373.2) K
qtotal = 1.66 x 106 J
Energy
= capacity to do work or to transfer heat
-Kinetic Energy (EK) พลังงานของวัตถุตามการเคลื่อนที่
EK = ½ mv2
-Potential Energy(EP)
พลังงานที่เก็บไว้ในวัตถุ
ที่แสดง capacity
สาหรับการทางาน
พลังงานภายใน (Internal Energy)
= Total Energy within a system ประกอบด้วย
Potential Energy of the electrons and
the nuclei
-พลังงานไฟฟ้าจากการดึงดูดของอิเล็กตรอนกับนิวเคลียส
(Eelec)
-พลังงานนิวเคลียล์ของนิวเคลียส (Enuclear)
และ Kinetic Energy of all motion
Translation (ย้ายที่)
Rotation (การหมุน)
Vibration (การสัน่ )
E = Etrans + Erot + Evib + Eelec + Enuclear
Stretching
Of bond
Bending
Of bond
สาหรับแก๊สเฉื่อย เช่น He ประกอบด้วยอะตอม
เดียว การเคลื่อนที่จะมีเฉพาะการย้ายที่
E = 3 RT (แก๊ส 1 mol )
2
E = 3 nRT (แก๊ส n mol )
2
E = The change in internal energy
คือ ความแตกต่างของพลังงานภายในระหว่างจุดสิ้นสุดของ
กระบวนการกับที่จดุ เริ่มต้นของกระบวนการ
E = Efinal
E = +
-
Einitial
ระบบรับพลังงานจากสิ่งแวดล้อม
E = - ระบบสูญเสียพลังงานให้แก่สิ่งแวดล้อม
The law of conservation of energy
The first law of thermodynamics
Energy is not created nor distroy
-อาจเกิดการเปลี่ยนรูป (Transforms)
E = q + w
งานที่ระบบทา
ผลรวมของความร้อนที่ให้
หรื
อ
ถู
ก
กระท
า
หรือรับของระบบกับงาน ความร้อน
ที่ระบบทาหรือถูกกระทา
การทางานของระบบ
heat
CO2(s,-78oC)
CO2(g,-78oC)
Sublimation
การระเหิด กระบวนการดูดความร้อน q = +
แก๊ส CO2 ขยายตัวเต็มภาชนะ ระบบทางาน w = -
นิยามของงานตามหลักกลศาสตร์
w
= แรง x ระยะทางที่วตั ถุเคลื่อนที่ไป
งานที่สนใจทางการเปลี่ยนแปลงทางเคมี คือ
การเปลี่ยนแปลงปริมาตร
P = F/A
w = Px A x h
= PV
การทางานของแก๊ส
ในระบบที่ความดันคงที่
ถ้า P ไม่คงทีv่ w
∫PV
2
= -PextV
w=-
V1
แก๊สขยายตัว (V=+) w = reversible
แก๊สหดตัว (V= -) w = + process
reversible Process
w =
PV = nRT
Isothermal process
T = constant
-
∫ PdV
v2
v1
ตัวอย่าง 4 แก๊สอุดมคติบรรจุในกระบอกสูบหุม้ ด้วย
ฉนวน มีปริมาตร 3.0 ลิตร แก๊สขยายตัวต้านความ
ดันภายนอก 15.0 บรรยากาศ จนมีปริมาตร 7.0
ลิตร โดยไม่มกี ารถ่ายเทพลังงานความร้อน จง
คานวณ E และ w
q = 0 , E = w
w = -PV = 15.0 x (7-3)
= -60 L.atm = -60 x 101.3 J
E = -6078 J
1 L.atm = 101.3 J
ตัวอย่าง 5 แก๊สอุดมคติ 0.2 โมล ขยายตัวที่ปริมาตร
เริ่มต้น 2 ลิตร เป็ นปริมาตร 200 ลิตร ที่ 300 K
โดยกระบวนการที่ผนั กลับได้ จงคานวณ w และ q
ของระบบ
Isothermal process
E = 0
w =-0.2 x 8.314 x 300 x ln100
=-2297.2 J
q = -w = 2.3 kJ
ตัวอย่าง 6 จงคานวณพลังงานที่ตอ้ งการสาหรับการให้
ความร้อนแก่แก๊สฮีเลียม 100 g จากอุณหภูมิ 400 K
ถึง 1000 K ที่ปริมาตรคงที่
V = 0 , w = 0
E = q = 3 nR(T2-T1)
2
= 3 x 100 x 8.314 x 1000-400
2
4
1000
= 187.1 kJ
ตัวอย่าง 7 จงคานวณหา q w และE ของการระ
เหยกลายเป็ นไอของแอมโมเนีย 2 โมลที่จดุ เดือดปรกติ
(-33.4oC) ความดัน 1 บรรยากาศ ความร้อนแฝง
-1
ของการกลายเป็ นไอของแอมโมเนีย = 23.3 kJmol
q = 2.00 mol x 23.3 kJmol-1 = 46.6 kJ
w = -PV
V = Vgas
-
Vliquid
0
= -1.0 atm x 2.0 mol x 0.0821 L.atm.mol-1K-1(240 K)
1.00 atm
= -39.4 L.atm x 0.1013 kJ/L.atm
= -4.0 kJ , E = 46.6-4.0 = 42.6 kJ
การทดลองที่เราศึกษา มักดาเนินการ 2 รูปแบบ
1. ปริมาตรคงที่
2. ความดันคงที่
V = 0 Heat transfer ทัง้ หมด
เพิ่มพลังงานจลน์ของอนุภาคเท่านัน้
แต่ถา้ P = 0 , Heat transfer
ใช้สาหรับทางาน w = -Pext V และเพิ่ม
พลังงานจลน์ของระบบ
Bomb calorimeter
เทอร์มอมิเตอร์ ขัว้ จุดประกายไฟ
stirer
นา้
บอมบ์
สารตัง้ ต้น
ใช้สาหรับทดลองกับ
ปฏิกิริยาการเผาไหม้
ที่ปริมาตรคงที่
w= 0
E = qv
ตัวอย่าง 8 บอมบ์แคลอริมเิ ตอร์หนึง่ มีความจุ
ความร้อนเท่ากับ 32.606 kJ.K-1 การเผาไหม้
เมนทอล(C10H20O) 2.316 g ทาให้อณ
ุ หภูมิ
ของบอมบ์สงู ขึน้ จาก 25.010oC เป็ น 27.897oC
จงคานวณหา E ของปฏิกิริยา
q = CT
= 32.606 x(27.897-25.010)
q ที่บอมบ์ได้รบั = 94.13 kJ
x
156.27
Erxn = -94.13 kJ
2.316
-1
= - 6532 kJ.mol
Constant Pressure calorimeter
Thermometer
stirrer
Insulated
vessel
ตัวอย่าง 9 จุม่ โลหะเหล็ก 0.1 kg อุณหภูมิ 300oC
ลงในแคลอริมเิ ตอร์ทองแดง หนัก 0.5 kg บรรจุนา้
0.4 kg อุณหภูมิ 5oC ปิ ดแคลอริมเิ ตอร์ให้แน่นไม่ให้
มีการถ่ายเทมวลสารและให้ความดันคงที่ ความจุความร้อน
จาเพาะของนา้ เหล็ก และทองแดงเท่ากับ 4.18 , 0.449
และ 0.385 J g-1K-1
qเหล็ก + qนา้ + qแคลอริมเิ ตอร์ = 0
(mcpT)เหล็ก+ (mCpT)นา้ +( mCpT)แคลอริมเิ ตอร์ = 0
100 x 0.449 x (Tf-300) + 400 x4.18 x(Tf – 5)
+500x0.385 x(Tf-5) = 0
Tf = 11.94 oC
ตัวอย่าง10 จงคานวณความร้อนของปฏิกิริยาต่อไปนี้
CuSO4 + 2NaOH
Cu(OH)2 + Na2SO4
เมือ่ ผสม CuSO4 0.40M 50.0 mL กับ NaOH 0.60 M
50.0 mL (อุณหภูมเิ ท่ากัน = 23.35oC) ในแคลอริมเิ ตอร์
อุณหภูมหิ ลังเกิดปฏิกิริยาสมบูรณ์ = 26.65oC
กาหนดให้ ความจุความร้อนของแคลอริมเิ ตอร์ =
24.0 J/oC
และความจุความร้อนจาเพาะของสารละลายผสม = 4.18 J/g.oC
ความหนาแน่นสารละลาย = 1.02 g/mL
qrxn + qแคลอริมเิ ตอร์ + qsoln = 0
qrxn
=
-(24.0 J/oC x 3.30 oC +102 g x 4.18 J/g.oC x 3.30oC)
Constant pressure calorimeter
E = q + w
-PextV
qp
qp = E + Pext V
เนือ่ งจาก P คงที่ PV = PV
qp = (E + PV)
กาหนดให้ H = E +PV
(enthalpy)
H = qp
กาหนดให้ ความร้อนที่เปลีย่ นแปลงเมือ่ ระบบ
อยู่ที่ความดันคงที่ = การเปลี่ยนแปลงเอนธาลปี
H = Hfinal - Hinitial
เช่นเดียวกับ E = Efinal - Einitial
ฟั งก์ชนั สภาวะ(state function)
สมบัตขิ องระบบที่ขนึ้ อยู่กบั สภาวะเท่านัน้ ไม่ขนึ้ กับ
วิถีทาง(pathway)การเปลี่ยนแปลง
Enthalpy Change , H
การทดลองที่ปริมาตรคงที่ E
=
qv
การทดลองที่ความดันคงที่ H
=
qp
ความร้อนของปฏิกิริยา = H
การเปลี่ยนแปลงเอนธาลปี ของปฏิกิริยา
H2O(g)
H2(g) + ½ O2(g) H = +241.8 kJ
ตัวอย่าง 11 ถ้าใส่ชนิ้ Mg 0.500 g ในแคลอริมเิ ตอร์
ชนิดความดันคงที่ซึ่งบรรจุกรด HCl 1.0 M 100.0 mL
ปฏิกิริยาที่เกิดขึน้ เป็ นดังนี้
Mg(s) + 2HCl(aq)
H2(g)
+
MgCl2(aq)
อุณหภูมขิ องสารละลายเพิ่มขึน้ 22.2oC ถึง 44.8oC
จงหาการเปลี่ยนแปลงเอนธาลปี (kJ.mol-1)ของปฏิกิริยา
ข้างต้น
ความจุความร้อนจาเพาะของสารละลาย = 4.20 J.g-1K-1
ความหนาแน่นสารละลาย = 1.02 g/mL
สมมติว่าไม่มกี ารถ่ายเทพลังงานระหว่างระบบกับแคลอริมเิ ตอร
qrxn
+
qsolution
= 0
102.5 g x 4.20 Jg-1K-1 x (318.0-295.4)K
1000
qrxn = -9.54 kJ
= -9.54 kJ x 24.31 g mol-1
0.50 g
= -464 kJ.mol-1
Standard State Enthalpies
Solid
Liquid
Gas
Thermodynamically stableที่ P = 1 atm T = 298.15 K
Solution
=
1M
Standard enthalpy of formation
= การเปลี่ยนแปลงเอนธาลปี ของการเกิดสารชนิดหนึ่งๆ
ณ สถานะที่เสถียรจากธาตุที่สถานะที่เสถียร
2C(s) + 3H2(g) + ½ O2(g)
C2H5OH(l) Ho = -277 kJ
Hof ของ C2H5OH =
-277 kJ
Standard enthalpy of formation ของธาตุอิสระ =
(สภาวะที่เสถียร)
0
C(s) + O2(g)
C(s) + O2(g)
CO2(g) Hof(CO2) = -393.15 kJ
CO (g) Hof (CO) = -110.52 kJ
สามารถคานวณการเปลี่ยนแปลงเอนธาลปี ของปฏิกิริยา
o
ได้จากเ H f ของการเกิดสารที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา
Horxn =
∑nHof(product) - ∑nHof(reactant)
CaCO3(s)
heat
CaO(s) + CO2(g)
Horxn = Hof(CaO) + Hof(CO2) - Hof(CaCO3)
การใช้ enthalpies of formation (H°f) คานวณ
°
การเปลี่ยนแปลงเอนธาลปีที่สภาวะมาตรฐาน (H rxn)
C3H8(g) + 5O2(g)
กาหนดให้
3C(graphite) + 4H2(g)
O2(g)
3CO2(g) + 4H2O(l)
°
C3H8(g) H f = -103.85 kJ
°
O2(g) H f = 0 kJ
C(graphite) + O2(g)
°
CO2(g) H f
= 393.5 kJ
0
C3H8(g) + 5O2(g) → 3CO2(g) + 4H2O(l)
Horxn = 3Hof(CO2) + 4Hof(H2O) - Hof(C3H8)
-393.5 kJ
-285.8 kJ
-103.85 kJ
Horxn = 3 x -393.5 + 4 x -285.8 –(-103.85)
= -2219.8 kJ
ถ้าใช้ C3H8 100 g ความร้อนของปฏิกิริยามีคา่ เท่าใด
Horxn = -2219.8 kJ x 100
44
= -5045 kJ
Hess's Law
สำหรั บปฏิกริ ิ ยำที่เกิดขึ้นหลำยๆขั้นตอน
Hrxn = ผลรวมของกำรเปลี่ยนแปลง
เอนธำลปี แต่ ละขั้นตอน
CH4(g) + 2O2(g)
CH4(g) + 2O2(g)
2H2O(g)
CO2(g) + 2H2O(l)
CO2(g) + 2H2O(g).....(1)
2H2O(l).........(2)
บางปฏิกิริยาไม่สามารถหา Hได้จากการทดลอง
สามารถใช้ปฏิกิริยาที่หาได้จากการทดลองคานวณ
:
พลังงานของปฏิกิริยา
การกลับสมการ H มีเครื่องหมายตรงกันข้าม
แต่มคี ่าเท่าเดิม เมือ่ กลับสมการที่ 2 จะได้
เมือ่ รวม 2 สมการให้ตอ่ เนือ่ งกันจะได้
ต้องการหา
Ho = ?
C(s,diamond)
C(s,graphite)
กาหนดให้
C(s,diamond) + O2(g)
CO2(g)
-395.4 kJ.mol-1
C(s,graphite) + O2(g)
CO2(g)
-393.51 kJ.mol-1
-395.4 kJ.mol-1
C(s,diamond) + O2(g)
CO2(g)
+393.51 kJ.mol-1
C(s,graphite) + O2(g)
C(s,diamond)
-1.89 kJ.mol-1
C(s,graphite)
การคานวณ H จากปฏิกิริยาเคมี
H = E + PV
H = E + PV
H = E + nRT
T = constant
H = E + RTn
ถ้าพิจารณากระบวนการหลอมเหลวนา้ แข็งที่
ความดันปรกติ ( 1 atm)ความร้อนแฝงของการ
หลอมเหลวนา้ แข็งเท่ากับ 6.010 kJ/mol
จงคานวณ Eo และ Ho
qp = 6.010 kJ/mol
กระบวนการที่เกีo ่ยวข้องกับของแข็งและของเหลว
Ho = 6.010
kJ/mol
o
H = E
Eo
= 6.010 kJ/mol
o
E
จงคานวณ
ต่อไปนีท้ ี่ 298 K
SiCl4(l) + 2CH4(g)
และ
o
H
ของปฏิกิริยา
2CH2Cl2(l) + SiH4(g)
Ho = 2Hof(CH2Cl2) + Hof(SiH4)
-134.47
- 2Hof(CH4) - Hof(SiCl4)
-74.87
+34.31
Ho = Eo + RTn
-662.75
-1
กรดเบนโซอิก 0.80 g เผาไหม้ในแก๊สออกซิเจนมากเกินพอ
ให้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และนา้ (l) ในบอมบ์แคลอริมเิ ตอร์
อุณหภูมสิ งู ขึน้ 2.15 K จงคานวณ Eo และ Ho
ของปฏิกิริยา
ความจุความร้อนของบอมบ์เท่ากับ 9382 J/K
C6H5COOH(s) + 15/2O2(g)
7CO2(g) + 3H2O(l)
Ho = Eo + RTn
n = 7 -7.5 = -0.5
9382 x 2.15 kJ
1000