energija - hemija.mehemija.me/wp-content/uploads/2018/11/hemijska-termodinamika.pdf · prvi zakon...
TRANSCRIPT
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
Energija
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
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
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
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
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
Rad
• Energija potrebna da se objekat pomjeri duž neke distance.
w = F d,
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
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
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
Potencijalna energija
– Energija hemijskih veza
– Energija atomskih jezgara
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
Kinetička energija
– Energija kretanja molekula (translacionu, rotacionu i vibracionu)
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
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
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
Prelazak energije
a) Kada se ova glinena loptica pomjera sa zemlje ka vrhu zida, povećava se njena potencijalna energija
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
Prelazak energije
a) Kada se ova glinena loptica pomjera sazemlje ka vrhu zida, povećava se njenapotencijalna energija
b) Kada loptica pada, njena potencijalna energija se pretvara u kinetičku.
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
Prelazak energije
a) Kada se ova glinena loptica pomjera sazemlje ka vrhu zida, povećava se njenapotencijalna 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
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
• 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
Prvi zakon termodinamike
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
• Promjena unutrašnje energije sistema je jednaka:
E = Ekrajnje − Epočetno
Use Fig. 5.5
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
Ukupna energija
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
• Ako je
E > 0, Ekrajnje > Epočetno
– U tom slučaju sistem apsorbuje energiju od okruženja.
– Te energetske promjene su endotermne.
HEMIJSKA TERMODINAMIKAPromjena unutrašnje energije
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
• Ako je
E < 0, Ekrajnje < Epočetno
– U tom slučaju sistem oslobađaenergiju u okruženje.
– Te energetske promjene su egzotermne.
HEMIJSKA TERMODINAMIKAPromjena unutrašnje energije
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
• Kada sistem prolazi kroz fizičku ili hemijsku promjenu, Ejednaka je toplotnoj energiji koju sistem otpušta ili prima plus rad koji sistem vrši ili se vrši nad sistemom.
E = q + w.
HEMIJSKA TERMODINAMIKAPromjena unutrašnje energije
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
E, q, w, i njihovi predznaci
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 TERMODINAMIKAPromjena unutrašnje energije
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
• Kada sistem apsorbuje toplotu iz okruženja, proces je
endoterman.
HEMIJSKA TERMODINAMIKARazmjena toplote između sistema i okruženja
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
• Kada sistem apsorbuje toplotu iz okruženja, proces je
endoterman.
• Kada sistem oslobađa toplotu u okruženje, proces je
egzoterman
HEMIJSKA TERMODINAMIKARazmjena toplote između sistema i okruženja
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
• Stalan pritisak izobarni.
• Stalna zapremina izohorni
• Stalna temperatura izotermni
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
• Količina razmijenjene toplotne energije pri P=const
HEMIJSKA TERMODINAMIKAentalpija
H = E + PV
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
• Kada se sistem mijenja pri konstantnom pritisku, H, je
H = (E + PV)
• Ili možemo pisati
H = E + PV
HEMIJSKA TERMODINAMIKAentalpija
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
• Pošto jeE = 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 TERMODINAMIKAentalpija
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
• Endoterman proces, H je pozitivna.
HEMIJSKA TERMODINAMIKAentalpija
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
• Endoterman proces, H je pozitivna.
• Egzoterman proces, H je negativna.
HEMIJSKA TERMODINAMIKAentalpija
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
HEMIJSKA TERMODINAMIKAentalpija
promjena entalpije, H, je entalpija produkata minus entalpija reaktanata:
H = Hprodukata − Hreaktanata
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
HEMIJSKA TERMODINAMIKAentalpija
Kalorimetar
Mjerenje promjene termalne energije u jednom izolovanom sistemu
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
HEMIJSKA TERMODINAMIKAEntalpija reakcije
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
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
HEMIJSKA TERMODINAMIKAEntalpija reakcije
o
f H→ − standardna entalpija stvaranja
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
• 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),
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
• 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),
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
Ukupan toplotni efekat hemijkoj procesa ne zavisi od puta kojim se proces odvija, već od početnog i krajnjeg stanja.
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
Hesov zakon
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
entalpija nekog procesa je zbir vrijednosti entalpija
procesa na koje dati proces može biti rastavljen
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
H = nHf(products) - mHf(reactants)
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
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)
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
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)
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
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)
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
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
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
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
Energija koja se oslobodi
tokom reakcije
Pretvara se u koristan rad
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
Energija koja se oslobodi tokom
reakcije
Pretvara se u koristan rad
Ostaje u sistemu kao
vezana energija
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
Energija koja se oslobodi tokom
reakcije
Gibsova slobodna energija
Ostaje u sistemu kao
vezana energija
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
Energija koja se oslobodi tokom
reakcije
∆GOstaje u
sistemu kao vezana energija
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
Energija koja se oslobodi
tokom reakcije
∆G entropija
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
Energija koja se oslobodi
tokom reakcije
∆G ∆S
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
• 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
Prvi zakon termodinamike
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
• 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
Drugi zakon termodinamike
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
HEMIJSKA TERMODINAMIKAentropija
Drugim riječima:
Za reverzibilne procese:
Suniv = Ssistem + Sokruženje = 0
Za ireverzibilne procese:
Suniv = Ssistem + Sokruženje > 0
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
HEMIJSKA TERMODINAMIKAentropija
Pri spontanom miješanju dva gasa:
S>0
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
• Entropija sistema raste sa porastom:
Temperature
Zapremine
Broja atoma u molekulu
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
Energija koja se oslobodi tokom
reakcije
∆G ∆S
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
• Kada je S pozitivna, G je negativna.
• Dakle, kada je G negativna, proces je spontan.
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
• Ako je ΔG negativno spontana je direktna reakcija.
• Ako je ΔG=0sistem je u stanju ravnoteže.
• Ako je ΔG pozitivno spontana je povratna reakcija.
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA
HEMIJSKA TERMODINAMIKA
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
OPŠTA I NEORGANSKA HEMIJA BIOLOGIJA