بخش ۲

ترماديناميک شيمي

گرما و دما

هر گاه دو جسم با دماهاي متفاوت با هم تماس حاصل کنند گرما از جسمي که دماي بيشتر دارد به جسمي که دماي کمتري دارد جاري مي شو. بنابر اين مي توان گفت که گرما نوعي انرژي است حال آنکه دما معياري است که ميزان سردي و گرمي اجسام را مشخص مي کند.

يکاهاي انرژي

يکاها يا واحدهاي رايج انرژي کالري و ژول هستند. کالري مقدار گرماي مورد نياز براي افزايش دماي يک گرم آب خالص به اندازه يک درجه سلسيوس است. ژول انرژي لازم براي بالا بردن جسمي به جرم  kg ۱  به ارتفاع10 CM از سطح زمين است . براي اندازه گيري مقادير ترموديناميکي بيشتر از kj  و kcl  استفاده مي شود.

ظرفيت گرماي

«ظرفيت گرمايي» يک جسم ، گرماي مورد نياز براي افزايش دماي آن به اندازه يک درجه سلسيوس است. «ظرفيت گرمايي ويژه» گرماي مورد نياز براي افزايش دماي يک گرم از جسمي به اندازه ي يک درجه سلسيوس  است.

يکان ظرفيت گرمايي ويژه   ^۱-C . g^-۱ . j ْ و يا   ^۱-K. j^-۱ .g ْ است.

«ظرفيا گرمايي مولي » مقدار گرماي لازم براي افزايش دماي يک مول از يک ماده به اندازه يک درجه سلسيوس است و يکان  آن  ^۱- C ْ .^۱-  j.mol مي باشد.

مثال : باkj   ۴۵ انرژي ، دماي چند کيلوگرم آب  c ْ۰۱ ا فزايش مي يابد . ظرفيت گرمايي ويژه آب برابر

 c ْ^-۱.j.g^-۱   4/148 مي باشد.

g = mcΔT

۴۵۰۰ j = m (4/184 .  j . g ^-1 .ْ c ^-1 ) (10ْ c)

سيستم و خواص آن

به بخشي از جهان که براي مطالعه انتخاب مي شود، «سيستم» مي گويند. هنگامي که سيستم مشخص شد، هر چيز ديگري که پيرامون آن باشد «محيط» آن سيستم مي نامند.

خواص قابل اندازه گيري سيستم مثل حجم، فشار و دما را خواص ترموديناميکي سيستم مي نامند.

خواص ترموديناميکي :

1- خواص مقداري : به مقدار ماده وابسته است مانند جرم و حجم

2- خواص شدتي : به مقدار ماده بستگي ندارد مانند دماي ذوب و جوش

جريان انرژي در سيستم

هر ذره در سيستم داراي انرژي جنبشي و پتانسيل است. مجموع اين انرژيها براي ذرات تشکيل دهنده سيستم انرژي دروني سيستم ناميده مي شود. در يک سيستم شيميايي تغيير انرژي دروني Δ E عبارت است از :

 ΔE =  E  پاياني - Eآغازي =  E فرآورده – Eمواد اوليه = E₂ – E₁

بايد توجه داشت که تغيير انرژي در سيستم با تغيير انرژي محيط اطراف آن همراه است. به عبارت ديگر کل انرژي جهان ثابت است . بنابر اين هر تغيير در انرژي يک سيستم ترموديناميکي با تغيير ديگري در محيط متعادل مي شود.اگر انرژي محيط پيرامون آن افزايش مي يابد و برعکس. نمودارهاي تغيير انرژي دروني مطابق زير است.

نمودار

تابع حالت و وابسته نبودن انرژي دروني به مسير

اگر براي انجام فرآيندي مسيرهاي متفاوتي وجود داشته باشد، تغيير انرژي دروني سيستم در تمام مسيرها يکسان است و فقط به حالت آغازي و پاياني سيستم وابسته است بنابر اين انرژي دروني يک تابع حالت است. به عنوان مثال يک واکنش گرماده مثل سوختن اکتان را در نظر بگيريد.

گرماي حاصل از اين واکنش ممکن است صرف انجام کار (به حرکت درآمدن خودرو) و يا گرم کردن موتور خودرو شود، يا در حالتي ديگر کل گرماي حاصل از واکنش به محيط اطراف داده شود ولي در کليه حالتها تغيير انرژي دروني يکسان است.

قانون اول ترموديناميک

انرژي کل جهان ثابت است. انرژي نه بوجود مي آيد و نه از بين مي رود، اما مي تواند به سه طريق زير تغيير کند:

1- از طريق بدست آوردن  يا از دست دادن گرم (q) که در اينصورت 

 

-g +g

{

ΔE =

 

 

 

2- از طريق انجام کار توسط سيستم روي محيط و يا توسط روي سيستم که در اينصورت

 

-w +w

{

ΔE =

 

 

 

3- از طريق مبادله ي گرما و کار با محيط خارج هر دو در يک زمان که در اينصورت

 ΔE =  w+q

نتيجه اينکه کار و گرما انواع متفاوت انرژي هستند که به هم تبديل مي شوند. Δ E مي تواند مثبت و هم منفي باشد. منفي بودن به معناي گرماده بودن و انجام کار توسط سيستم روي محيط است. مثبت بودن به معناي گرماگير بودن و انجام کار توسط محيط روي سيستم است.

کار ناشي از انبساط

وقتي گازي منبسط مي شود روي محيط خود کار انجام مي دهد و اين نوع کار را کار انبساطي يا کار ناشي از انبساط مي گويند. چون اين نوع کار ناشي از تغيير حجم است. مقدار pv کار انجام شده توسط يک سيستم در فشار ثابت است. کار pv  مي تواند توسط واکنش شيميايي که حجم آن در ضمن واکنش افزايش مي يابد صورت گيرد.

يعني کل حجم فرآورده ها بيشتر از کل حجم واکنش دهنده ها باشد.

تغيير حجمp -   Δv  فشار =  w کار انجام شده

اگر تعداد مول گازهاي فرآورده بيش از تعداد مول گازهاي واکنش دهنده باشد

ΔV > 0 ® منفي است W

    اگر تعداد مول گازهاي فرآورده مساوي با تعداد مول گازهاي واکنش دهنده باشد

ΔV = 0 ®  W = 0

    اگر تعداد مول گازهاي فرآورده کمتر از  تعداد مول گازهاي واکنش دهنده    باشد

ΔV <0 ® W مثبت است