Transcript 열화학 - wizchem.org

제 6 장. 열화학
1
Energy


The capacity to do work or to produce heat
Law of Conservation of Energy

에너지는 한 가지 형태에서 다른 형태로 변할
수는 있으나 창조되거나 소멸되지 않는다
Euniverse is constant
2
The Two Types of Energy


Potential : due to position or composition can be converted to work
Kinetic : due to motion of the object

KE = 1/2 mv2
(m = mass, v = velocity)

에너지는 한가지 형태에서 다른
형태로 바꾸어 질 수 있다

에너지를 전달하는 방법 : 일과 열

일 : 일정 거리에 걸쳐 작용한 힘
3
Temperature v. Heat
Temperature reflects random motions of
particles, therefore related to kinetic energy
of the system.
Heat involves a transfer of energy between
2 objects due to a temperature difference
4
State Function

Depends only on the present state of the system
- not how it arrived there

It is independent of pathway


한 상태에서 다른 상태로 진행됨에 있어서 이러한 함
수의 변화는 두 상태에서 취해진 특정한 경로에는 무
관한 것이다
에너지는 상태함수 이지만 일과 열은 상태함수가
아니다
5
System and Surroundings




System: That on which we focus attention
Surroundings: Everything else in the universe
Universe = System + Surroundings
Heat exchange accompanies chemical reactions


Exothermic : Heat flows out of the system (to the
surroundings)
Endothermic : Heat flows into the system (from the
surroundings)
6
Exo and Endothermic

발열반응(Exothermic)




CH4(g) + 2O2(g)  CO2(g) + 2H2O(g) + 에너지
화학 결합에 저장되어 있는 위치에너지의 일부가 열흐
름에 의하여 열에너지로 전환됨을 뜻한다
발열과정에서 생성물의 결합이 반응물의 결합보다 더
강하다
메탄의 연소에 대한
에너지 도표
7
Exo and Endothermic

흡열반응(Endothermic)



N2(g) + O2(g) + 에너지  2NO(g)
열로 계에 유입되는 에너지가 계의 위치 에너지를 증가시키
고 이 경우 생성물이 반응물보다 큰 위치에너지를 갖는다
질소와 산소가 반응하여 일산화질소가 생기는 반응의 에
너지 그림
8
First Law

열역학 1법칙(First Law of Thermodynamics)



에너지 보존법칙
The energy of the universe is constant.
△E = q + w



△E = change in system’s internal energy
q = heat
w = work
9
First Law

계를 중심으로 보는 과점

일정량의 열이 계로 흐르면(흡열과정) : q = +x


열이 계로부터 주위로 흐르면(발열반응) : q = -x


계의 에너지가 증가
계의 에너지가 감소
일의 흐름

계가 주위에 일을하면(에너지가 계로부터 주위로 나감)


W는 음수
주위가 계에 일을하면(에너지가 계로 흘러 들어감)

W는 양수
10
Work




work = force × distance
since pressure = force / area
work = pressure × volume
wsystem = -P△V
11
Enthalpy

Enthalpy = H = E + PV



At constant pressure,



qP = △E + P△V,
where qP = △H at constant pressure
△H = energy flow as heat (at constant pressure)


△E = △H - P△V
△H = △E + P△V
△H = H생성물 – H반응물
일정압력에서

발열은 △H가 음, 흡열은 △H가 양을 의미한다
12
Heat Capacity

화학 반응에 관련되는 열의 흐름은 열량계를 사
용하여 실험적으로 측정
C =

heat absorbed
J
J
=
or
increase in temperature
C
K
정압 열계량법



일정압력(대기압)에서 반응열 측정
H+(aq) + OH-(aq)  H2O(l)
방출된 에너지 = 용액에 흡수된 에
너지 = 비열 × 용액의 질량 × 상승
온도 = s × m × △T
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Some Heat Exchange Terms

몰 열용량(molar heat capacity)
 1몰의 물질을 섭씨 1°C 올리는데 필요한 에너지
 heat capacity per mole = J/°C mol or J/K mol

비열(specific heat capacity)
 1그램의 물질을 섭씨 1°C
올리는데 필요한 에너지
 heat capacity per gram
= J/°C g or J/K g
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Bomb 열량계



일정부피에서 열량계 실험
△E = q + w = q = qP (일정부피)
방출된 열량 = △T × 열량계의 열용량
15
Hess’s Law

엔탈피는 상태함수 이므로


어떤 특정한 반응물이 어떤 특정한 생성물로 변할 때
엔탈피의 변화는 그 반응이 한 단계로 진행되거나 혹
은 여러 단계로 일어나는 엔탈피의 변화는 같다
Reactants  Products
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Calculations via Hess’s Law

If a reaction is reversed, △H is also reversed.



N2(g) + O2(g)  2NO(g)
2NO(g)  N2(g) + O2(g)
△H = 180 kJ
△H = -180 kJ
If the coefficients of a reaction are multiplied by
an integer, △H is multiplied by that same integer.

6NO(g)  3N2(g) + 3O2(g)
△H = -540 kJ
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Standard States

Compound




For a gas, pressure is exactly 1 atmosphere.
For a solution, concentration is exactly 1 molar.
Pure substance (liquid or solid), it is the pure
liquid or solid
Element

The form[N2(g), K(s)] in which
it exists at 1 atm and 25°C
18
Standard States

표준 생성 엔탈피(△Hf°)

모든 물질이 25°C, 표준 상태에 있을 때 원소로부터 그
화합물 1몰을 생성할 때 수반되는 엔탈피의 변화
19
Change in Enthalpy

CH4(g) + 2O2(g)  CO2(g) + 2H2O(l)

메탄의 연소 과정에서 우선 반응물을 (a)와 (b)로 분해
하여 표준 상태의 원소로 만들고, 다음 단계의 반응(c)
와 (d)에서 생성물로 만든다
20
Change in Enthalpy

△Hrxn° = ∑np△Hf°(products) - ∑nr△Hf°(reactants)


Can be calculated from enthalpies of formation of
reactants and products
에너지변화 도식표
21
Change in Enthalpy


표 6.2에 실은 표준 생성 엔탈피 값들을 사용하여 암모니
아가 공기 중에서 연소하여 이산화질소와 물을 만드는 전
체 반응의 표준 엔탈피 변화를 계산하여라. 이 반응은 질
산을 만드는 첫 단계이다.
4NH3(g) + 7O2(g)  4NO2(g) + 6H2O(l)
22
현재의 에너지원

Energy sources used in the United States
23
석유와 천연가스

석유는 점성이 큰 검은 액체로 주로
탄소와 수소를 포한하는 탄화수소로
되어있다

천연가스는 주로 메탄이 들어있
으나, 프로판 및 부탄도 상당량
포함되어 있다
내연기관




크래킹
Knocking
촉매변환기
24
석탄

석탄은 땅 속에 식물이 묻혀 오랫동안 높은 압력과 열
을 받아 생겼다


탄소의 함량이 증가할 수록 연소열이 증가
산성비의 원인
25
Greenhouse effect

대기 중의 수증기와 이산화탄소 등이 온실의 유리처
럼 작용하여 지구표면의 온도를 높게 유지시킨다


지표의 평균온도는 298K이다
온실효과가 없다면 온도는
255K가 될 것이다
대기의 수분 함량은 물의 순환
과정(증발과 강우)에 의해 좌우
되며 평균값은 여러 해 동안 일
정하였다
26
Greenhouse effect

화석연료의 사용 증가 때문에 1880년에서 1980년 사
이에 이산화탄소의 농도가 약 16%나 증가되었다.
27
새로운 에너지 자원


미래의 에너지 자원을 찾을 때 우리는 경제, 기후
및 공급 요인들을 고려할 필요가 있다.
석탄변환

Coal gasification
28
새로운 에너지 자원

수소연료



생산


H2(g) + 1/2O2(g)  H2O(l)
△H° = -286kJ
H2(g) 1g당 연소열은 천연가스의 2.5배나 된다
물의 전기분해, 물의 열분해, 물의 생물학적 분해
저장, 운송



금속 표면에서 H2분자는 원자로 분해
수소의 단위 부피당 에너지가 비교적 적다
수소를 흡수한 고체의 금속 수소화물

H2(g) + M(s)  MH2(s)
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기타 대체 에너지원

유혈암



에탄올(C2H5OH)


발효 : 설탕이 효모의 작용으로 알코올이 된다
메탄올(CH3OH)


다공성 암석에 들어있는 케로겐이라 부르는 복잡한 탄
소 화합물로 구성
갇혀 있는 기름이 유동성이 없어 펌프해 낼 수 없다
자동차의 연료
씨앗을 짜서 얻은 기름

경작의 가능성
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