energija - hemija.mehemija.me/wp-content/uploads/2018/10/hemijska-termodinamika.pdf · energija se...
TRANSCRIPT
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
Energija
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Sistem i okruženje
• Proučavajući reakciju unutar cilindra:
• 2H2(g) +O2->2H2O(g)+toplota
• Sistem uključuje molekule koje posmatramo (H2 i O2), reaktante i produkte.
• Okruženje je sve ostalo (cilindar, klip).
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Energija
• Sposobnost da se izvrši rad ili prenese toplota.
– Rad: prenos E iz jednog sistema u drugi, djelovanjem sile.
– Toplota: prenos E usled razlike u temperaturi između sistema i
okoline.
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Rad
• Energija potrebna da se objekat pomjeri duž neke distance.
w = F d,
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Toplota
• Toplota se prenosi sa toplijih na hladnije predmete
• Neuređen oblik predaje energije
• Predajom energije u obliku toplote, haotičnost kretanja u sistemu se povećava
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Potencijalna energija
– Energija hemijskih veza
– Energija atomskih jezgara
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Kinetička energija
– Energija kretanja molekula (translacionu, rotacionu i vibracionu)
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Jedinica energije
• SI jedinica za energiju je: džul (J).
• Starija jdinica koj je još uvijek često u upotrebi je: kalorija (cal).
1 cal = 4.184 J
1 J = 1 kg m2
s2
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Prelazak energije
a) Kada se ova glinena loptica pomjera sa zemlje ka vrhu zida, povećava se njena potencijalna energija
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Prelazak energije
a) Kada se ova glinena loptica pomjera sa zemlje ka vrhu zida, povećava se njena potencijalna energija
b) Kada loptica pada, njena potencijalna energija se pretvara u kinetičku.
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Prelazak energije
a) Kada se ova glinena loptica pomjera sa zemlje ka vrhu zida, povećava se njena potencijalna energija
b) Kada loptica pada, njena potencijalna energija se pretvara u kinetičku.
c) Kada padne na zemlju, kinetička energija je nula (pošto se više ne pomjera); jedan dio energije ostaje vezan za lopticu, ostatak se raspršuj kao toplota.
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
• Energija ne može biti uništena ni stvorena.
• Ukupna energija sistema i njegove okoline je konstantna, pri čemu energija može da prelazi iz jednog oblika u drugi.
Use Fig. 5.5
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Prvi zakon termodinamike
• Promjena unutrašnje energije sistema je jednaka:
E = Ekrajnje − Epočetno
Use Fig. 5.5
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Ukupna energija
• Ako je
E > 0, Ekrajnje > Epočetno
– U tom slučaju sistem apsorbuje
energiju od okruženja.
– Te energetske promjene su endotermne.
HEMIJSKA TERMODINAMIKA Promjena unutrašnje energije
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
• Ako je
E < 0, Ekrajnje < Epočetno
– U tom slučaju sistem oslobađa
energiju u okruženje.
– Te energetske promjene su egzotermne.
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA Promjena unutrašnje energije
• Kada sistem prolazi kroz fizičku ili hemijsku promjenu, E jednaka je toplotnoj energiji koju sistem otpušta ili prima plus rad koji sistem vrši ili se vrši nad sistemom.
E = q + w.
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA Promjena unutrašnje energije
E, q, w, i njihovi predznaci
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Za q + znači sistem prima toplotu - znači sistem gubi toplotu
Za w + rad koji sistem prima - rad koji sistem vrši
Za ∆E + znači sistem apsorbuje energiju - znači sistem oslobađa energiju
HEMIJSKA TERMODINAMIKA Promjena unutrašnje energije
• Kada sistem apsorbuje toplotu iz okruženja, proces je
endoterman.
HEMIJSKA TERMODINAMIKA Razmjena toplote između sistema i okruženja
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
• Kada sistem apsorbuje toplotu iz okruženja, proces je
endoterman.
• Kada sistem oslobađa toplotu u okruženje, proces je
egzoterman
HEMIJSKA TERMODINAMIKA Razmjena toplote između sistema i okruženja
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
• Stalan pritisak izobarni.
• Stalna zapremina izohorni
• Stalna temperatura izotermni
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
• Količina razmijenjene toplotne energije pri P=const
HEMIJSKA TERMODINAMIKA entalpija
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
H = E + PV
• Kada se sistem mijenja pri konstantnom pritisku, H, je
H = (E + PV)
• Ili možemo pisati
H = E + PV
HEMIJSKA TERMODINAMIKA entalpija
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
• Pošto je E = q + w i w = −PV, promjenu entalpije
možemo izraziti:
H = E + PV
H = (q+w) − w
H = q
• Dakle, pri konstantnom pritisku, promjena entalpije je apsorbovana ili
oslobođena toplota.
HEMIJSKA TERMODINAMIKA entalpija
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
• Endoterman proces, H je pozitivna.
HEMIJSKA TERMODINAMIKA entalpija
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
• Endoterman proces, H je pozitivna.
• Egzoterman proces, H je negativna.
HEMIJSKA TERMODINAMIKA entalpija
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA entalpija
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
promjena entalpije, H, je entalpija produkata minus entalpija reaktanata:
H = Hprodukata − Hreaktanata
HEMIJSKA TERMODINAMIKA entalpija
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Kalorimetar
Mjerenje promjene termalne energije u jednom
izolovanom sistemu
HEMIJSKA TERMODINAMIKA Entalpija reakcije
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
a A + b B → c C + d D
o o o
r
o o o o o
r
o o o o o
r f f f f
= (produkti) (reaktanti)
= (C) + (D) (A) + (B)
= (C) + (D) (A) + (B)
H H H
H cH dH aH bH
H c H d H a H b H
o
f H→ − standardna entalpija stvaranja
HEMIJSKA TERMODINAMIKA Entalpija reakcije
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
o
f H→ − standardna entalpija stvaranja
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
• Izračunaj standardnu reakcijsku entalpiju (ΔrH°) sagorijevanja etanola, koristeći odgovarajuće tablične vrijednosti standardnih entalpija stvaranja, pri 25 °C.
2 5 2 2 23 2 3C H OH(l) + O(g) CO(g) + H O(l),
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
• Izračunaj standardnu reakcijsku entalpiju (ΔrH°) sagorijevanja etanola, koristeći odgovarajuće tablične vrijednosti standardnih entalpija stvaranja, pri 25 °C.
2 5 2 2 23 2 3C H OH(l) + O(g) CO(g) + H O(l),
Ukupan toplotni efekat hemijkoj procesa ne zavisi od puta kojim se proces odvija, već od početnog i krajnjeg stanja.
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Hesov zakon
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
entalpija nekog procesa je zbir vrijednosti entalpija
procesa na koje dati proces može biti rastavljen
H = nHf(products) - mHf(reactants)
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Thermochemistry
• Zamislite da se reakcija dešava u tri koraka:
C3H8 (g) + 5 O2 (g) 3 CO2 (g) + 4 H2O (l)
C3H8 (g) 3 C(grafit) + 4 H2 (g)
3 C(graphite) + 3 O2 (g) 3 CO2 (g)
4 H2 (g) + 2 O2 (g) 4 H2O (l)
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
Thermochemistry
• Zamislite da se reakcija dešava u tri koraka:
C3H8 (g) + 5 O2 (g) 3 CO2 (g) + 4 H2O (l)
C3H8 (g) 3 C(graphite) + 4 H2 (g)
3 C(graphite) + 3 O2 (g) 3 CO2 (g)
4 H2 (g) + 2 O2 (g) 4 H2O (l)
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
Thermochemistry
• Zamislite da se reakcija dešava u tri koraka:
C3H8 (g) + 5 O2 (g) 3 CO2 (g) + 4 H2O (l)
C3H8 (g) 3 C(graphite) + 4 H2 (g)
3 C(graphite) + 3 O2 (g) 3 CO2 (g)
4 H2 (g) + 2 O2 (g) 4 H2O (l)
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
Thermochemistry
C3H8 (g) + 5 O2 (g) 3 CO2 (g) + 4 H2O (l)
C3H8 (g) 3 C(graphite) + 4 H2 (g)
3 C(graphite) + 3 O2 (g) 3 CO2 (g)
4 H2 (g) + 2 O2 (g) 4 H2O (l)
C3H8 (g) + 5 O2 (g) 3 CO2 (g) + 4 H2O (l)
• Zbirna reakcija
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
Thermochemistry
C3H8 (g) + 5 O2 (g) 3 CO2 (g) + 4 H2O (l)
C3H8 (g) 3 C(graphite) + 4 H2 (g)
3 C(graphite) + 3 O2 (g) 3 CO2 (g)
4 H2 (g) + 2 O2 (g) 4 H2O (l)
C3H8 (g) + 5 O2 (g) 3 CO2 (g) + 4 H2O (l)
• Zbirna reakcija
H = [3(-393.5 kJ) + 4(-285.8 kJ)] - [1(-103.85 kJ) + 5(0 kJ)]
= [(-1180.5 kJ) + (-1143.2 kJ)] - [(-103.85 kJ) + (0 kJ)]
= (-2323.7 kJ) - (-103.85 kJ)
= -2219.9 kJ
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Energija koja se oslobodi
tokom reakcije
Pretvara se u koristan rad
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Energija koja se oslobodi tokom
reakcije
Pretvara se u koristan rad
Ostaje u sistemu kao
vezana energija
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Energija koja se oslobodi tokom
reakcije
Gibsova slobodna energija
Ostaje u sistemu kao
vezana energija
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Energija koja se oslobodi tokom
reakcije
∆G Ostaje u
sistemu kao vezana energija
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Energija koja se oslobodi
tokom reakcije
∆G entropija
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Energija koja se oslobodi
tokom reakcije
∆G ∆S
• Energija ne može biti uništena ni stvorena.
• Ukupna energija sistema i njegove okoline je konstantna, pri čemu energija može da prelazi iz jednog oblika u drugi.
Use Fig. 5.5
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Prvi zakon termodinamike
• Entropija svemira teži k povećanju
• Prirodni procesi su spontani i ireverzibilni, praćeni su degradacijom energije, tj. povećanjem entropije
• neuređenost sistema– pokretačka snaga spontanosti procesa
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Drugi zakon termodinamike
HEMIJSKA TERMODINAMIKA entropija
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Drugim riječima:
Za reverzibilne procese:
Suniv = Ssistem + Sokruženje = 0
Za ireverzibilne procese:
Suniv = Ssistem + Sokruženje > 0
HEMIJSKA TERMODINAMIKA entropija
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Pri spontanom
miješanju dva gasa:
S>0
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
• Entropija sistema raste sa porastom:
Temperature
Zapremine
Broja atoma u molekulu
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Energija koja se oslobodi tokom
reakcije
∆G ∆S
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
• Kada je S pozitivna, G je negativna.
• Dakle, kada je G negativna, proces je spontan.
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
• Ako je ΔG negativno spontana je direktna reakcija.
• Ako je ΔG=0sistem je u stanju ravnoteže.
• Ako je ΔG pozitivno spontana je povratna reakcija.
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
MEDICINSKA BIOHEMIJA SA HEMIJOM (OPŠTI I NEORGANSKI DIO) MEDICINA
Spontana na svim temperaturama
Nije spontana na svim temperaturama
Nije spontana na visokim T, spontana na niskim T
Nije spontana na niskim T, spontana na visokim T